ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Махунов И.А.

Электрохимические методы очистки сточных вод

Mahoonov I.A.

Electrochemical methods of a filtration of sewage

Статья «Электрохимические методы очистки сточных вод» (автор – Махунов Илья Александрович,  аспирант Белгородского государственного технологического университета имени В.Г. Шухова) посвящена  одной из глобальных проблем XXI века – проблеме  загрязнения и истощения природных вод, поиску средств сохранения и воспроизводства их качества.

Статья может быть интересна не только узкому кругу специалистов, решающих данную проблему, но и  работникам различных отраслей промышленности, чья деятельность оказывает негативное влияние на окружающую среду.

Автор статьи  опирается на классификацию и методы извлечения веществ  при очистке сточных вод  академика Л. А. Кульского. Используя же классификацию по фазовому состоянию веществ в растворе, группирует методы обработки стоков.

Собранная информация актуальна,  конкретна и  достоверна.

Ключевые слова:  методы очистки, загрязняющие вещества, сточные воды, электрохимические, классификация, электрокоагуляция, гальванокоагуляция.

Article «Electrochemical methods of a filtration of sewage» (the author - Махунов Илья Александрович, the post-graduate student of the Belgorod state technological university of a name V.G.Shuhova) is devoted one of global problems of the XXI century - to a problem of pollution and an exhaustion of natural waters, search of means of preservation and reproduction of their quality.

Article can be interesting not only to a narrow circle of the experts solving the given problem, but also workers of various industries, whose activity makes negative impact on environment.

The author of article leans against classification and methods of extraction of substances at sewage treatment of academician L.A.Kulskogo. Using classification by a phase condition of substances in a solution, groups methods of processing of drains.

The collected information is actual, concrete and authentic.

Keywords: clearing methods, polluting substances, sewage, electrochemical, classification, electrocoagulation.

XXI век – век новых технологий и научных перспектив – обозначил как одну из глобальных проблем человечества  загрязнение и истощение природных вод, поиск средств сохранения и воспроизводства их качества. Загрязнение окружающей среды, в том числе источников водоснабжения, представляет собой реальный фактор, оказывающий существенное негативное влияние на здоровье человека. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), от использования недоброкачественной питьевой воды ежегодно в мире страдает каждый десятый житель планеты. До 50% речного стока мира ежегодно подвергается антропогенному воздействию, в том числе и в результате сброса 420 миллиардов тонн сточных вод. Высокая загрязненность источников воды и неэффективные технологии водоподготовки - основные причины неудовлетворительного качества питьевой воды. По ее физико-химическим (каждая 5-я проба) и микробиологическим (каждая 9-я проба) показателям отмечены случаи нарушения требований ГОСТ во всех субъектах Российской Федерации. Из всего объема сточных вод, поступающих через коммунальные сети в поверхностные водные объекты, более 90% сбрасываются загрязненными.

Очевидно, что на качество воды большое влияние оказывают вещества, которые находятся в воде в различных концентрациях и фазовых состояниях. Избыточная концентрация некоторых из них может оказывать негативное влияние как на человека, так и на биологическую обстановку в природном водоеме. Поэтому при сбросе воды после технологического процесса необходимо проводить извлечение из стоков многих загрязняющих веществ и добиваться установленной предельно допустимой концентрации (ПДК) в сточных водах.

Все химические соединения, присутствующие в воде, можно разделить на органические и неорганические, а также классифицировать по их фазовому состоянию в растворе. Наиболее удачной считается классификация загрязнителей, предложенная академиком Л. А. Кульским (см. табл.).

 Классификация и методы извлечения веществ при очистке сточных вод

Для определенных типов загрязнителей применяется своя группа методов очистки сточных вод. Используя классификацию по фазовому состоянию веществ в растворе, можно сгруппировать методы обработки стоков.

Следует отметить, что для каждого типа химических производств характерен свой состав сточных вод, вследствие чего достаточно сложно выбрать оптимальную технологическую схему и метод очистки сточной воды. Причиной тому становится  многообразие находящихся в воде примесей и высокие требования, предъявляемые к качеству воды. Кроме того, из сточных вод возможно извлечение ценных компонентов, кислот, щелочей. На основании информации о присутствующих в стоках загрязнителях можно подобрать очистное оборудование для того или иного процесса. Очевидно, что выбор установки для обработки сточных вод необходимо осуществлять путем сопоставления данных о качестве воды с характеристиками этих установок.

Технологические схемы очистки сточных вод разрабатываются в зависимости от концентрации загрязнений.

 В зависимости от количества сточных вод и состава загрязнений могут применяться различные методы их очистки: механические, химические, физико-химические, физические, биохимические и комбинированные.

Классификация методов очистки стоков

Выделим электрохимические методы отчистки сточных вод от тяжелых металлов как наиболее перспективные и эффективные на сегодняшний день.

Очистка промышленных сточных вод с использованием электрохимических процессов

В соответствии с общепринятой классификацией рассматриваемые методы относятся к физико-химическим процессам очистки водных систем. Они отличаются многостадийностью и относительной сложностью происходящих в аппаратах водоочистки физико-химических явлений. Механизм и скорость протекания отдельных стадий зависят от многих факторов, выявление влияния и правильный учет которых необходимы для оптимального конструирования электролизеров и рационального ведения процессов очистки воды.

Основываясь на законах физической химии, электрохимии и химической технологии, электрохимические методы очистки промышленных сточных вод можно разделить на три основные группы: методы превращения, методы разделения и комбинированные методы.

Методы превращения обеспечивают изменение физико-химических и  фазово-дисперсных  характеристик загрязнений сточных вод с целью их обезвреживания и быстрого извлечения из стоков. Превращение примесей может проходить ряд последовательных стадий, начиная с электронного уровня взаимодействия растворимых соединений и заканчивая изменением каких-либо электроповерхностных и объемных характеристик грубодисперсных веществ, содержащихся в сточных водах.

Методы разделения предназначены для концентрирования примесей в локальном объеме раствора без существенного  изменения фазово-дисперсных или физико-химических свойств извлекаемых из сточных вод веществ. Разделение примесей и воды происходит в основном за счет флотации электрогенерируемыми пузырьками газов или силового воздействия электрического поля, обеспечивающего транспорт заряженных частиц в воде.

К комбинированным методам электрохимической очистки сточных вод относятся методы, которые предполагают совмещение одного или нескольких методов превращения и разделения загрязнений стоков в одном аппарате.

На основании классификации методов электрохимической очистки сточных вод следует осуществлять и выбор типа аппарата, который определяется в первую очередь видом генерируемого электролитического эффекта в сточной воде.

Аппараты для электрохимической очистки промышленных  сточных вод (электролизеры) классифицируются по следующим признакам:

1. по организации процесса очистки стоков – аппараты непрерывного или периодического действия
2. по гидродинамическому режиму работы – напорные и безнапорные
3. по типу реактора – открытые, закрытые, бездиафрагменные и диафрагменные
4. по организации движения сточной воды в межэлектродном пространстве – горизонтальные, угловые, вертикальные с восходящим и нисходящим движением воды
5. по организации движения воды в аппарате – однопоточные, многопоточные и комбинированные
6. по виду воздействия на дисперсную систему – электрическим полем, электродными процессами, электроразрядом, комплексным воздействием

Очистка промышленных сточных вод методом электрокоагуляции

Очистка сточных вод методом электрокоагуляции основана на их электролизе с использованием стальных или алюминиевых анодов, подвергающихся электролитическому растворению. В результате осуществляется процесс коагуляции, аналогичный обработке сточной воды солями железа и алюминия. Однако, по сравнению с реагентным коагулированием при электрохимическом растворении металлов не происходит обогащения воды сульфатами и хлоридами, содержание которых в воде лимитируется как при сбросе очищенных сточных вод в водоемы, так и при повторном использовании в системах промышленного водоснабжения.

При электрокоагуляции сточных вод протекают и другие электрохимические и физико-химические процессы:

1. электрофорез
2. катодное восстановление растворенных в стоках органических и неорганических веществ или их химическое восстановление, а также образование катодных осадков металлов
3. флотация твердых эмульгированных частиц обрабатываемой сточной воды пузырьками газообразного водорода, выделяющегося на катоде
4. сорбция ионов и молекул растворенных примесей стоков, а также частиц эмульгированных в воде примесей на поверхности гидроксидов железа и алюминия, которые обладают значительной сорбционной способностью

В основе гальванокоагуляции лежат те же физико-химические процессы, которые составляют сущность электрокоагуляции. Отличие данного метода  очистки промышленных стоков  от электрокоагуляции заключается в способе введения в обрабатываемые сточные воды ионов железа, а также в отсутствии электростатической коагуляции, возникающей при наложении электрического поля.

При гальванокоагуляционной очистке обрабатываемую сточную воду с рН 2-4 пропускают через зону загрузки скрапа (смеси железа, меди и кокса), который представляет собой гальваническую пару, где железо является анодом. За счет разности потенциалов железо переходит в сток без наложения тока от внешнего источника в двухвалентной форме. В результате контакта с кислородом воздуха происходит окисление двухвалентного железа до трехвалентного. Таким образом, в обрабатываемой сточной воде образуются соединения железа (II) и (III).

В качестве катодных реакций могут протекать реакции выделения водорода, контактного осаждения более благородных, чем железо, металлов.

Гальванокоагуляция широко применяется при очистке сточных вод от ионов тяжелых металлов и Cr6+. При данном методе водоочистки тяжелые цветные металлы извлекаются в виде ферритов. Наиболее эффективное извлечение меди, цинка, хрома (VI) и хрома (III) из стоков в виде сернокислых растворов наблюдается при pH исходной сточной воды 2.5-2.7, причем меди и трехвалентный хром эффективно извлекаются в широком диапазоне исходных концентраций – от 50 до 250 мг/литр, а шестивалентный хром – до 200 мг/литр. Цинк и никель хорошо извлекаются из сточных вод при низких концентрациях, до 50 и 100 мг/литр соответственно.

При гальванокоагуляции расход железа составляет 0.2-1 кг на тонну очищенной сточной воды – в зависимости от pH. В результате на тонну очищенных стоков образуется до 1.5 кг железистого отхода.

Для глубокой очистки сточных вод описываемый метод применяют в сочетании с последующей обработкой стоков известковым молоком. Сточная вода, прошедшая очистку методом гальванокоагуляции, содержит большое количество взвешенных, плохо отстаивающихся мелкодисперсных твердых частиц, представляющих собой главным образом ферриты и частицы кокса. Поэтому сточные воды перед сбросом в канализацию подвергают многоступенчатой очистке от взвешенных частиц: выдержке в отстойнике, фильтрованию через пористые материалы и фильтры с плавающей загрузкой. Осадок из нижней части отстойника подвергают очистке на пресс-фильтрах.  

Очистка промышленных сточных вод от ионов тяжелых металлов методом электрохимического восстановления

Метод электрохимического восстановления с применением нерастворимых анодов особенно  эффективен  для обезвреживания хромсодержащих сточных вод с большими концентрациями Cr6+ (более 2 г/литр). Катодное восстановление металлов происходит по схеме:

                                    Men +ne- → Me0

При этом металлы осаждаются на катоде и могут быть рекуперированы. При использовании метода электрохимического восстановления можно снизит концентрацию хрома в сточных водах на 3 порядка.

Наиболее широко для выделения металлов из промышленных сточных вод применяются следующие виды катодов:

1. пористые
2. объемно-насыпные проточные
3. плоские пластины с инертной загрузкой

Классификация электрохимических методов

Таким образом, представленные основные электрохимические методы –– эффективная  мера  в повышении качества очистки водных ресурсов.