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. 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 γнач, 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 γкон
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 pHнач 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. |
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||