Физико-химические методы защиты биосферы. Очистка фильтрационных вод

Селективность сильноосновных анионитов типа АВ-17 в ОН форме имеет следующий вид:

NH2CH2COO~ < СН3СОО” < НСО3” < F”< фенолят < тартрат < цит­ рат < ИСОСГ < СГ < NO2” < оксалат < РО43” < СЮ42- < >ГОз~< комплексоны < анионные ПАВ.

При ионообменной очистке сточных вод, содержащей органические примеси, иониты способны извлекать из воды органические ионы. При этом скорость достижения равновесия обычно ниже, чем при поглощении неорганических ионов и лимитируется стадией внутренней диффузии ор­ ганических ионов в полостях, каналах или порах ионитов.

При выборе ионообменных материалов для извлечения органических ионов необходимо учитывать их пористую структуру. Для очистки от ор­ ганических ионов или полярных органических веществ можно использо­ вать полимерные сульфокатиониты, а также сульфоуголь.

Активные угли, благодаря наличию поверхностных функциональных групп, обладают некоторыми ионообменными свойствами и способны из­ влекать из воды, например, цианидные комплексные ионы меди, серебра, цинка.

Дополнительная обработка АУ азотной кислотой приводит к повы­ шению катионообменной емкости сорбентов.

Полимерные иониты легко подвергаются регенерации, благодаря этому иониты могут быть использованы для очистки растворов много­ кратно (до тысячи раз). Наиболее широкое распространение получила хи­ мическая регенерация с использованием растворов кислот (для катиони­ тов), растворов щелочей (для анионитов), а также солей и органических растворителей. Теоретический расход регенерирующего агента (G) может быть определен по стехиометрической реакции в соответствии с обменной емкостью ионита. Практическое значение G зависит от концентрации ре­ генерирующего раствора. С ее повышением многозарядные ионы предпоч­ тительнее десорбируются из ионита в обмен на однозарядные ионы, на­ пример ионы Н

Для обеспечения эффективной регенерации необходимо, чтобы кон­ центрация регенерирующего раствора достигала и не превышала концен­ трации десорбируемых ионов в фазе ионита. Например, регенерируемость КУ-2 эффективно протекает при использовании 1-1,6 н раствора соляной или серной кислот, а также 30 % раствора NaCl.

Процесс ионообменной очистки сточных и природных вод осущест­ вляется в основном в установках периодического действия, работающих в динамическом режиме. Основной характеристикой ионита при этом явля­ ется его динамическая емкость до проскока или до величины ПДК извле­ каемого иона в фильтрате.

После насыщения, т.е. полного исчерпания ионообменной емкости, ионит подвергают регенерации.

На продолжительность фильтроцикла большое влияние оказывают взвешенные и органические вещества, содержащиеся в сточной воде, по­ этому ионный обмен применяется на последних стадиях очистки сточных вод после извлечения из них взвешенных веществ (механическая очистка или коагуляция) и органических соединений (биохимическая очистка и/или сорбционная очистка).

Технически процесс ионного обмена в динамических условиях осу­ ществляется:

•фильтрованием раствора через стационарный слой зернистого ио­ нита в направлении сверху вниз;

•через гидродинамически зажатый слой зернистого ионита или во­ локнистого ионообменного материала;

•через взвешенный слой ионита;

•через противоточно перемещающийся слой.

Процесс ионного обмена состоит из ряда стадий: диффузии ионов из внешнего раствора к поверхности ионита (внешняя диффузия), диффузии ионов внутри зерен ионита к активным функциональным группам (внут­ ренняя диффузия), реакции ионного обмена, диффузии противоионов из внутренних зон ионита к поверхности (внутренняя диффузия), диффузии противоионов в раствор (внешняя диффузия).

Лимитирующими стадиями ионного обмена являются диффузион­ ные процессы. При проведении ионного обмена в динамических условиях за счет замедленности стадии внутренней диффузии первоначально фор­ мируется зона массопереноса, и процесс может быть описан подобно сорбционному (см. подразд. 4.2).

Расчет динамических ионообменных характеристик (максимальный объем раствора, очищаемый до заданной остаточной концентрации, рабо­ чая динамическая емкость слоя высотой Н при заданной скорости фильт­ рации) осуществляют на основе теории Шилова (см. уравнение (4.21)).

В практике очистки сточных вод наиболее широкое распространение получили надежные и простые в обслуживании высокопроизводительные фильтры с неподвижным слоем ионита с применением прямоточной, противоточной или ступенчато-противоточной регенерацией. Фильтр пред­ ставляет собой закрытый цилиндрический сосуд с расположенным на днище дренажным устройством. Фильтр загружается ионитом, высота слоя которого составляет 1,5-2,5 м (рис. 5.1).

В соответствии с разработанными принципами выбора методов очи­ стки ФВ, требованиями к материалам, используемым для очистки ФВ, в качестве сорбентов и ионообменников целесообразно использовать недо­ рогие природные ионообменные материалы или отходы производств.

Для извлечения гидратированных ионов металлов можно использо­ вать природные цеолиты, бентонитовые глины, диатомит, металлургиче­ ские и каменноугольные шлаки. Углеродные материалы также обладают некоторой ионообменной емкостью.

На кафедре охраны окружающей среды Hi ТУ были проведены ис­ следования по извлечению гидратированных и комплексных ионов метал­ лов из модельных растворов и реальных ФВ. В качестве ионитов в экспе­ риментах использованы сорбент-Н, металлургический шлак, АБД и диато­ мит. Физико-химические свойства диатомита уральского происхождения:

Ионообменные емкости материалов по отношению к гидратирован­ ным ионам железа (III) и меди (II), полученные при их извлечении из раз­ бавленных растворов (концентрация 50 мг/л - раствор 1), представлены на рис. 5.2. Исходные материалы обладали разной плотностью, и для более корректного сравнения свойств материалов ионообменные емкости пред­ ставлены в мг/дм3 сорбента.

Наибольшей ионообменной способностью при извлечении гидрати­ рованных ионов металлов обладает диатомит. Ионообменная емкость диа­ томита по ионам железа (III) составляет 5500-5700 мг/дм3 (100 мг-экв/дм3), по ионам меди (II) - 6200 мг/дм3 (98 мг-экв/дм3).

Исследования показали, что сорбция ионов металлов на диатомите сопровождается эквивалентным выделением ионов натрия в фильтрат, т.е. процесс протекает по ионообменному механизму.

сорбент-Н, ♦А БД, -*-шлак, -"-диатомит

Рис. 5.3. Изотермы сорбции гуматов железа: контроль очистки по изменению цветности раствора

Сорбционная емкость материалов, рассчитанная в единицах °Ц/г, уменьшается в следующей последовательности: сорбент-Н > АБД > шлак > > диатомит. Подобным образом изменяется сорбционная активность об­ разцов при адсорбции гуминовых соединений.

Извлечение этих соединений протекает в большей мере по адсорб­ ционному, а не ионообменному механизму на поверхности мезо- и макропор образцов, при взаимодействии их с поверхностными функциональны­ ми группами. Достаточно высокая емкость шлака на единицу веса объяс­ няется более высокой насыпной плотностью этого материала по сравне­ нию с сорбентом-Н.

Перспективы применения метода ионного обмена для очистки

ФВ. Метод ионного обмена может быть использован при разработке ком­ плексных технологий очистки ФВ на стадиях глубокой доочистки. Для эффективного использования метода ФВ должны быть подвергнуты очи­ стке от взвешенных и грубодисперсных примесей.

Для извлечения гидратированных ионов металлов можно применять различные природные и синтетические ионообменные материалы. Для очистки ФВ целесообразно использование дешевых природных сорбентов: керамзита, каолина, сапропели, горелой породы, диатомита и др. Для из­ влечения гуматов и фульватов металлов для очистки ФВ можно рекомен­ довать мезо- и макропористые углеродные материалы, предпочтительно отходы производств.

Сорбент-Н и АБД, характеризующиеся развитой удельной поверхно­ стью и пористостью, являются эффективными и дешевыми материалами для извлечения гуматов металлов из фильтрационных вод.

Вопросы и задания к главе 5

5.1.Что понимают под термином «ионный обмен»?

5.2.Перечислите основные характеристики ионообменных материа­ лов. Что понимают под полной обменной емкостью ионита, динамической емкостью?

5.3.Какие природные соединения обладают ионообменными свойст­

вами?

5.4.Каковы особенности строения природных неорганических иони­

тов?

5.5.Каковы основные свойства ионообменных смол?

5.6.Как определяется селективность ионообменного материала? От каких основных параметров зависит селективность ионита?

5.7.Рассмотрите ряды селективности для природных и синтетиче­ ских ионитов.

5.8.Как в промышленности осуществляют процесс ионного обмена?

5.9.Расскажите об основных методах регенерации ионообменных материалов.

5.10.Сформулируйте основные требования к выбору ионообменного материала для очистки фильтрационных вод.

5.11.Каковы закономерности очистки фильтрационных вод от ком­ плексных ионов металлов?

5.12. Объясните, почему углеродсодержащие материалы можно ис­ пользовать для извлечения комплексных ионов металлов из растворов?

(НА ПРИМЕРЕ ОЧИСТКИ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ВОД)

6.1.Закономерности очистки сточных вод в биофильтрах

Вбиологическом фильтре (биофильтре) сточная вода взаимодейст­ вует с поверхностью загрузочного материала, покрытого биологической пленкой, образованной колониями аэробных микроорганизмов. Сооруже­ ние состоит из корпуса, загрузки, водораспределительного, дренажного и воздухораспределительного устройств.

Анализ данных зарубежных (Браун, Эймс, Геллер) и отечественных исследователей (С.В. Яковлев, Ю.В. Воронов, И.М. Таваркиладзе, В.Н. Швецов) позволяет составить обобщенные представления о законо­ мерностях очистки сточных вод в биофильтрах. Процесс очистки можно представить в виде ряда параллельно протекающих стадий:

• диффузия растворенных веществ к поверхности загрузки;

• сорбция растворенных органических веществ на поверхности био­ пленки;

• биодеструкция загрязненных веществ под действием микроорга­ низмов биопленки;

•рост массы биопленки;

•отторжение отработанной биопленки при толщине более 1 см и вынос ее потоком очищаемой воды из биофильтра.

Изъятие загрязнений из сточных вод на биофильтрах обеспечивается

впроцессах сорбции, гидролиза, ферментативных реакций и непосредст­ венно клеткой. Одновременно с гидролизом, в результате которого проис­ ходит деструкция высокомолекулярных соединений, протекают сложные метаболические процессы с выделением продуктов реакций и синтезом нового клеточного вещества. Верхние слои биопленки являются более ак­ тивными, приток нового вещества (кислорода воздуха) обеспечивает высо­ кую скорость массообменных и окислительных процессов.

По конструктивным особенностям загрузочного материала различа­ ют два типа биофильтров: с объемной загрузкой и с плоскостной загруз­ кой.

Биофильтры с объемной загрузкой можно разделить на следующие группы:

• капельные, с крупностью фракций загрузочного материала 2030 мм и высотой слоя загрузки 1-2 м;