Изучение методов очистки сточных вод (Лабораторная работа)

 

Цель работы: ознакомиться с отдельными механически­ми и физико-химическими методами очистки сточных вод от растворенных и взвешенных загрязнителей.

 

Методы очистки сточных вод делятся на регенеративные (отделение загрязнений от воды) и деструктивные (разрушение загрязнений). К реге­неративным методам относятся: отстаивание, фильтрация, сорбция, ион­ный обмен, коагуляция и пр. Деструктивные методы очистки сточных вод вклю­чают: окисление хлором, кислородом (О₂), озоном (О₃), термическую обра­ботку, УФ-облучение.

Методы очистки бывают:

• физические – отстой, фильтрация, дистилляция, флотация, вымора­живание;

• физико-химические – сорбция, коагуляция с флокуляцией, ионный об­мен, экстракция и пр.;

• химические – окисление, реагентная обработка и т. д.;

• биологические – очистка с помощью микроорганизмов:

а) аэробные процессы очистки (в присутствии воздуха, сооружения – аэротенки, био­фильтры, поля фильтрации, биопруды);

б) анаэробные процессы (без дос­тупа воздуха, сооружения – метантенки, септики).

Фильтрация – процесс очистки воды при прохождении ее через слой фильтрующей загрузки.

Флотация – насыщение воды пузырьками газа (чаще воздуха). Загряз­нения прилипают к поверхности всплывающих пузырьков и транспортиру­ются на поверхность воды. На поверхности воды накапливается пена, со­держащая удаленные из воды загрязнения.

Сорбция (лат. sorbcio поглощаю) – процесс накопления на поверх­ности твердых частиц (сорбента) молекул или ионов растворенного в воде вещества (сорбата). Сорбция возникает самопроизвольно и про­должается с убывающей скоростью до достижения равновесного состоя­ния.

Ионный обмен заключается в том, что твердый материал (ионит) по­гло­щает из воды ионы загрязнений в обмен на эквивалентное количество дру­гих, одноименно заряженных обменных ионов. Таким образом, общая концентрация ионов в воде не изменяется, хотя ионный состав становится другим.

Экстракция – при смешивании двух взаимно нерастворимых жидкостей вещества, растворенные в них, перераспределяются между обеими жид­костями пропорционально своим растворимостям.

Коагуляция (лат. coagulation свертывание) – это агрегация дисперсных час­тиц, происходящая в результате изменения их структуры и заряда, под влия­нием электролитов или других факторов. Сущность обработки во­ды коагу­лянтами заключается в гидролизе коагулянта с последующим вза­и­модей­ствием продуктов гидролиза (гидроокиси и основные соли) с кол­ло­ид­ными и грубодисперсными загрязнениями воды. Загрязнения перево­дят­ся в хлопьеобразное состояние и легко удаляются из воды путем от­ста­и­вания.

Реагентная деструкция – это окисление загрязнителей стоков химиче­скими реагентами: кислородом, хлором и некоторыми его соединениями, пероксидом водорода, перманганатом калия и пр. с переводом в нетоксич­ные соединения.

Правильный выбор метода очистки сточных вод зависит от фазово-дис­персного состояния загрязнений, их химического состава и количествен­ного содержания. Отдельные технологии очистки воды обладают опреде­ленной степенью универсальности, т. е. пригодны для удаления различ­ных водных загряз­нений.

В середине 60-х годов украинский академик Л.А. Кульский разрабо­тал классификацию водных примесей, объединив в общие группы те из них, которые могут удаляться одинаковыми методами. В основу классификации положено понятие о фазовом состоянии веще­ства в водной среде, которое в известной степени определяется дисперс­ностью. Этот принцип позволил объединить в небольшое количество групп самые разнообразные по хи­мической и физической характеристике при­меси природных и сточных вод и создать классификацию загрязняющих воду веществ, предопределяю­щую методы их группового удаления.

Сущность предлагаемой классификации заключается в том, что все примеси воды по отношению к дисперсионной среде (воде) разделены на четыре группы, две из которых представляют собой гетерогенные сис­темы и две другие – гомогенные. Первые образуются присутствующими в воде взвесями и коллоидами, вторые – веществами, дающими с водой молекулярные и ионные растворы. Если система гомогенная, то частицы, входящие в ее состав, не имеют поверхности раздела, что затрудняет их удаление. Гетерогенные системы состоят из двух и большего количества фаз (примером служит сточная вода, в состав которой входят помимо твердых частиц, пузырьки воздуха, глобулы нефтепродуктов и другие при­меси).

Такой порядок расположения групп и систем с повышающейся дисперс­ностью примесей целесообразен с технологической точки зрения, так как очистка воды начинается с удаления грубодисперсных примесей и колло­идно-дисперсных веществ. Методы удаления этих загрязнений являются наиболее общими, они широко применяются на всех очистных сооруже­ниях промышленных и коммунальных водопроводов и цехов очистки промстоков.

 

Выполнение работы

 

Задание 1. Фильтрация

Оборудование, реактивы, материалы:

– модельные сточные воды с загрязнителями 1-й группы;

– ФЭК, кюветы (L = 50 мм);

– коническая колба (V = 250 мл), воронка, бумажный фильтр.

 

В пробе предложенной сточной воды измерить на ФЭК оптическую плотность Dисх, которая является косвенным показателем содержания в воде взвешенных веществ.

Поместить в колбу стеклянную воронку с бумажным фильтром, от­филь­тровать приблизительно 50 мл сточной воды и измерить оптическую плотность Dкон очищенной воды.

Таблица. Классификация примесей воды по их фазово-дисперсному

составу и процессы, используемые для их удаления

 

Определить эффект очистки Э воды, %:

 

 

 

 

Сделать вывод об эффективности применяемого метода очистки воды от загрязнителей 1-й группы.

 

Задание 2. Сорбционная очистка

Оборудование, реактивы, материалы:

– модельные сточные воды с загрязнителем 3-й группы (раствор краси­теля индиго C ≈ 5 мг/л);

– ФЭК, кюветы (L = 20 мм), калибровочная кривая;

– конические колбы (V = 250 мл, 2 шт.), мерный цилиндр (V = 50 мл), ста­каны (V = 100 мл, 2 шт.), стеклянные палочки, воронка, бумажные фильтры;

– сорбенты: активированный уголь, химический поглотитель;

– технические весы.

Определить с помощью ФЭК оптическую плотность Dнач исходной сточ­ной воды при λ= 530 нм и Lкюветы = 20 мм..

В два стакана налить по 50 мл модельных стоков. В один поместить 1 г активированного угля, в другой – 3 г, предварительно взвесив уголь на технических весах. Перемешать содержимое каждого стакана в течение 5 минут. Сточную воду отфильтровать через бумажные фильтры и замерить оптическую плотность Dкон очищенной воды в каждой пробе.
Используя ка­либровочный график, определить содержание за­грязнителя (C, мг/л) в модельных стоках до и после обработки воды акти­ви­рованным углем. По формуле (2) найти эффективность очистки сточ­ной воды активированным углем (причем P – это начальное и конечное со­дер­жание загрязнителя, мг/л, в воде). Результаты занести в таблицу.

Аналогичным образом провести очистку модельных стоков химическим поглотителем, используя те же дозы сорбента. Определить оптическую плотность исходной и очищенной воды, а по калибровочному графику – ис­ходное и остаточное содержание загрязнителя, рассчитать эффекты сорбционной очистки.

 

Таблица. Результаты сорбционной очистки

Сделать вывод об эффективности сорбционного метода для улавлива­ния загрязнителей 3-й группы. Дать оценку влияния вида и количества сор­бента на качество очистки стоков.

 

Задание 3. Реагентная очистка

Оборудование, реактивы, материалы:

– модельные сточные воды с загрязнителями 4-й группы;

– тиоционат калия (KSCN) – насыщенный раствор, СаО (порошок);

– набор пробирок.

Ионы некоторых тяжелых металлов можно удалять из воды введением NaOH или CaO, что приводит к осаждению малорастворимых гидроксидов металлов.

В пробирку поместить 5–10 капель модельных стоков, добавить 1–2 ка­п­ли раствора KSCN, отметить образование буро-красного раствора тио­цио­ната железа, что свидетельствует о наличии в сточной воде Fe (III):

 

Fe³⁺ + 3SCN^- = Fe(SCN)₃.

 

В другую пробирку налить до половины модельных стоков, поместить 1–2 микрошпателя СаО, перемешать и поставить отстояться. Очистка воды от ионных загрязнителей протекает по схеме:

 

CaO + H₂O = Ca(OH)₂;

Ca(OH)₂↔ Ca²⁺ + 2OH^-;

Fe³⁺ + 3OH^- = Fe(OH)₃↓.

 

Образовавшийся нерастворимый гидроксид железа выпадает в осадок.

Осторожно слить в чистую пробирку верхнюю осветленную часть сточ­ной воды, добавить 1–2 капли KSCN. Что наблюдается?

Сделать вывод об эффективности очистки воды от ионов Fe (III) и воз­можности применения данного метода для улавливания загрязнителей 4-й группы.

 

Задание 4. Коагуляционно-флокуляционный метод очистки

Оборудование, реактивы, материалы:

– ФЭК, кюветы (L = 50 мм);

– мерные цилиндры (V = 10, 50, 250 мл), стаканы (V = 500 и 250 мл), стек­лянная палочка;

– кондуктометр «АНИОН-410К»;

– реактивы: сухая зола (навеска 2 г), раствор хлорида цинка (Cсоли = 100 мг/л), раствор флокулянта (Cфл = 1 г/л);

– модельные стоки, содержащие загрязнители разных групп.

 

В исходной сточной воде определить на ФЭК оптическую плотность Dнач при λ = 530 нм и Lкюветы = 50 мм. На кондуктометре АНИОН-410К замерить начальную удельную электропроводность γ_нач, мСм/см и общее солесодержание (по NaCl) Cнач, мг/л.

В стакан налить 250 мл исходных модельных стоков. Добавить к сточ­ной воде 4 мл раствора ZnCl₂, перемешать стеклянной палочкой в течение 3 минут, затем добавить 2 г золы, перемешать 3 минуты, медленно влить 40 мл раствора флокулянта и перемешивать до тех пор, пока на палочке не образуется сгусток с загрязнениями. Затем палочку с загрязнениями ос­торожно удалить. Определить оптическую плотность Dкон, удельную элек­тропроводность γ_кон и общее солесодержание Cкон очищенной воды. Результаты занести в таблицу.

 

Таблица. Результаты коагуляционно-флокуляционной очистки

 

 

По формуле (2) рассчитать эффект очистки модельных стоков по всем определяемым параметрам и сделать вывод об эффективности метода для удаления комбинированных загрязнений.

 

Задание 5. Фильтрация через нейтрализующие материалы

Оборудование, реактивы, материалы:

– модельные стоки с pH < 4;

– делительная воронка, закрепленная в штативе и заполненная нейтра­лизующим материалом (гранулированный CaCO₃) – колонка;

– цилиндр (V = 50 мл), стаканы (V = 100 мл, 2 шт.);

– универсальная индикаторная бумага.

 

Метод применяется для нейтрализации кислых или щелочных стоков. Очистка производится по принципу ионного обмена. Если фильтрующим материалом является известняк CaCO₃, то нейтрализуются кислые стоки, содержащие как неорганические, так и органические кислоты:

 

CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂↑;

CaCO₃ + 2H⁺ = Ca²⁺ + H₂O + CO₂↑.

 

Отмерить цилиндром 50 мл сточной воды, определить pH_нач с помо­щью универсальной индикаторной бумаги. Поставить под носик колонки стакан, пропустить воду через колонку с загрузкой известняком CaCO₃, отрегулировав скорость пропускания таким образом, чтобы вода стекала медленно, каплями. После однократного пропускания воды через колонку определить pH нейтрализованной сточ­ной воды. Пропустить воду через колонку повторно и вновь изме­рить pH воды. Если сточная вода после нейтрализации очень мутная, пе­ред определением pH можно отфильтровать ее через бумажный фильтр. Результаты представить в виде таблицы.

 

Таблица. Результаты фильтрации сточной воды через колонку с насадкой CaCO₃

 

 

Сделать вывод об эффективности применяемого метода нейтрализа­ции сточной воды.