книги / Химия воды и основы очистки природных и сточных вод физико-химическими методами

2.Рассчитайте ориентировочную массу образующегося при коагуляции осадка, считая, что происходит полный гидролиз сульфата алюминия.

3.Предложите пути переработки или утилизации образованного осадка.

3.ОКИСЛИТЕЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ

ИОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ СТОЧНЫХ ВОД

3.1. Применение метода хлорирования для очистки сточных вод

Для обезвреживания сточных вод, содержащих токсичные примеси, обладающие восстановительными свойствами, например цианиды, фенолы, амины; для дезодорации дурнопахнущих стоков, например сернисто-щелочных, сероводородсодержащих сточных вод используют окислительные методы.

В качестве окислителей применяют хлорсодержащие соединения (жидкий хлор, гипохлорит натрия или кальция, диоксид хлора), перекись водорода, озон, технический кислород и др.

Одним из наиболее распространенных реагентов-окислителей является хлор и его соединения.

Хлор способен взаимодействовать с водой и в зависимости от рН среды образовывать различные соединения, также обладающие окислительной способностью:

Cl2 + Н2О = HClО +HCl рН < 7

Cl2 + 2NaОH = NaClО +NaCl + Н2О рН > 7 2Cl2 + 4NaОH = 2 NaClО2 +2NaCl + 2Н2О рН >> 7

Окислительная способность образующихся соединений различна. Окислительно-восстановительныепотенциалысоединенийхлора(Ео, В):

31

Наибольшей окислительной способностью обладает HClО хлорноватистая кислота в кислой среде.

Хлор и его соединения применяются для обезвреживания циансодержащих сточных вод. Процесс проводят в щелочной среде:

CN– + 2OH– + Cl2 CNO– + 2Cl– + H2O

Образующиеся цианаты (CNO–) далее окисляются до элементарного азота и углекислого газа:

2CNO– + 4OH– + 3Cl2 2CO2 + 6Cl– + N2 + 2H2O

Для обезвреживания используют также растворы гипохлорита натрия

CN– + OCl– CNO– + Cl–

Реакция быстро и полно протекает при рН = 9…10. Образующиеся цианаты постепенно гидролизуются:

CNO– + 2H2O CO32– + NH4+

или окисляются избыточным количеством гипохлорита: 2CNO– + 3OCl– + 2H+ 2CO2 + N2 + 3Cl– + H2O

Хлорирование – один из распространенных методов дезодорации сточных вод, содержащих меркаптаны, сероводород и др.

В зависимости от расхода хлора окисление метилмеркаптана может протекать по следующим реакциям:

2CH3SH + Cl2 CH3SSCH3 + 2HCl

CH3SH + 2Cl2 + H2O CH3SOCl + 3HCl

CH3SH + 3Cl2 + 2H2O CH3SO2Cl + 5HCl

Время контакта сточной воды, загрязненной метилмеркаптаном, с хлором составляет 5 мин, а загрязненной диметилсульфидом и диметилдисульфидом – 45–60 мин.

Сточные воды производств азотной промышленности содержат аммиак, карбамид, аммиачную селитру (NH4+, (СО)2NH, NH4NO3) и другие азотсодержащие соединения.

32

Эффективным методом обезвреживания аммонийсодержащих сточных вод является окисление их хлором или гипохлорит-ионом по реакции

2NH4+ + 3ClO– + 2OH– N2 + 3Cl– + 5H2O

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 Определение эффективности обезвреживания аминосодержащих сточных вод методом окисления

Цель работы – определение оптимальной дозы реагента для обезвреживания аминосодержащих сточных вод.

Материалы, оборудование, реактивы

1.Фотоэлектроколориметр.

2.Кюветы с толщиной слоя 50 мм.

3.Колбы конические на 250 мл.

4.Пипетки градуированные.

5.Реактив Несслера.

6.Сегнетовая соль.

7.Гипохлорит натрия (NaClO) 1 %-й раствор (10 г/л).

Опыт 1. Определение содержания аммиака в исходной пробе воды

Содержание ионов аммония определяем калориметрическим методом. Метод основан на реакции аммиака с тетрайодомеркуратом (2) калия – K2[HgI4] (реактивом Несслера) в щелочной среде с образованием желто-коричневого осадка тетрайодомеркурата аммония – (NH4)2[HgI4]. Реакция образования осадка, а при малых концентрациях иона аммония – коллоидного раствора имеет вид

2HgJ42– + NH3 + OH– NH2HgJ3 + 5J– + H2O

Ход определения

В коническую колбу емкостью 250 мл с притертой пробкой отмерить 50 мл исследуемой воды (опытная проба), в другую колбу – 50 мл дистиллированной воды (холостая проба). В обе колбы доли-

33

вают 1 мл сегнетовой соли и 1 мл реактива Несслера. Колбы закрывают, перемешивают и оставляют на 10 мин. Затем определяют оптическую плотность опытной пробы при длине волны λ = 425 нм, в кювету сравнения помещают холостую пробу.

Содержание NH4+ определяют по калибровочному графику. Для построения калибровочного графика в мерные колбы вместимостью 50 мл наливают 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 и 12 мл рабочего стандартного раствора хлорида аммония и доводят каждый раствор до метки безаммиачной водой. Концентрации NH4+ в полученных растворах рав-

ны соответственно 0, 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,6, 0,8,1,0 и 1,2 мг/л. Эти рас-

творы обрабатывают как описано выше, и по результатам измерения оптической плотности строят калибровочный график.

Опыт 2. Определение остаточной концентрации аммиака в обработанных пробах воды

Ход определения

Обработать пробы воды различными дозами 1%-го раствора гипохлорита натрия (1–6 мл раствора на 100 мл опытной пробы). Тщательно перемешать, оставить на 20–30 мин.

К100 млопытнойпробыдобавитьпо2 млрастворасегнетовойсоли

иреактиваНесслера. Колбызакрыть, перемешать, оставитьна10 мин. Раствор для сравнения: к 100 мл дистиллированной воды добав-

ляют различные дозы 1%-го раствора гипохлорита натрия, перемешивают. Добавляют по 2 мл сегнетовой соли и реактива Несслера, перемешивают. Оставляют на 10 мин. Затем определяют оптическую плотность растворов.

По полученным результатам строят графики зависимости концентрации остаточного NH4+ (мг/л) и эффективности очистки (%) от дозы 1 %-го раствора гипохлорита натрия (мл). По графику определяют оптимальную дозу реагента.

Полученные данные заносят в таблицу:

34

Задание

Рассчитайте оптимальную дозу и расход реагента для обезвреживания:

а) 1000 м3 аминосодержащих сточных вод с концентрацией NH4+ = 250 мг/л; б) 250 м3 аминосодержащих сточных вод с концентрацией NH4+ = 75 мг/л.

3.2. Обеззараживание воды

Обеззараживанием воды называется процесс её очистки от патогенных микроорганизмов в процессе водоподготовки.

Существует два основных метода обеззараживания:

1)реагентный, при котором вода обрабатывается химическими веществами: сильными окислителями (озоном, хлором, хлораминами, хлорной известью, перманганатом калия), солями тяжелых металлов (медью, серебром);

2)безреагентный, при котором вода подвергается воздействию ультрафиолетового облучения (УФО), ультразвука или высокой температуры (кипячение воды).

Сущность процесса обеззараживания заключается в окислении

веществ, входящих в состав протоплазмы клеток, что приводит к инактивации ферментов и гибели бактерий.

При полной очистке поверхностных вод обеззараживание необходимо всегда, при использовании подземных вод – только тогда, когда микробиологические свойства воды не соответствуют требованиям СанПиН 2.1.4.559-96 (в случае централизованного водоснабжения) и СанПиН 2.1.4.544-96 (для источников нецентрализованного водоснабжения).

Для профилактического обеззараживания и обработки воды в аварийных ситуациях процесс обеззараживания необходим на всех станциях подготовки хозяйственно-питьевых вод.

Часть окислителей при подаче в воду расходуется на окисление некоторых органических и минеральных веществ, что улучшает органолептические свойства воды (цвет, запах, привкус). Наличие взвешенных веществ в воде препятствует контакту клеток микроорганизмов с реагентоми темсамымснижает эффективность обеззараживания.

35

Наиболее распространенным методом обеззараживания является хлорирование – обработка воды одним из хлорсодержащих соединений: жидким хлором ( Cl2 H2O ), хлорной известью (CaOCl2),

гипохлоритами кальция (Ca(ClO)2) и натрия (NaClO), хлором, получаемым при электролизе раствора хлорида натрия, хлораминами (NH2Cl, NHCl2) и др. Все эти соединения, а также продукты их гидролиза – хлорноватистая кислота (HClO ) и атомарный кислород, образующийся при разложении хлорноватистой кислоты, обладают сильным бактерицидным действием.

В процессеобеззараживания воды протекаютследующиереакции: Cl2 H2O HOCl HCl

HOCl H ClO

HOCl HCl O

Степень диссоциации зависит от реакции среды (рН): чем ниже значение рН, тем выше концентрация хлорноватистой кислоты, при рН = 6,5…8,5 в воде присутствует и хлорноватистая кислота и гипохлорит.

Бактерицидные свойства хлорсодержащих реагентов, главным образом недиссоциированной HСlO, снижаются с повышением рН, поэтому обеззараживание воды в процессе водоподготовки наиболее эффективно до введения щелочных реагентов.

В присутствии в воде ионов аммония при хлорировании возможно образование хлораминов NH2Cl и NHCl2.

При хлорировании воды различают активный хлор и остаточный хлор. Под активным хлором условно понимают количество газообразного хлора, эквивалентное кислороду, выделяющемуся при гидролизе хлорирующих веществ. Остаточным хлором условно называют количество активного хлора, которое остается в воде после обеззараживания и окисления органических и неорганических веществ, при этом Cl2, HClO и ClO– образуют свободный хлор, а NH2Cl и NHCl2 – связанный хлор. Количество хлора, необходимого для обеззараживания воды, зависит от химического состава воды. Часть активного хлора затрачивается на непосредственное бактерицидное действие, часть вступает во взаимодействие с легко окис-

36

ляющимися минеральными органическими соединениями и поглощается взвешенными веществами. Все эти факторы связывания хлора объединяются в понятие «хлорпоглощаемость» воды.

Необходимая доза хлора определяется по кривой хлорпоглощаемости воды – зависимости концентрации «остаточного хлора» (мг/л) от дозы введенного хлора (мг/л). Пример кривой хлоропоглощаемости воды представлен на рис. 3.1.

Необходимая доза хлора определяется по кривой хлорпоглощаемости воды – зависимости концентрации «остаточного хлора» (мг/л) от дозы введенного хлора (мг/л). Пример кривой хлоропоглощаемости воды представлен на рис. 3.1.

Присутствие в воде соединений азота изменяет кривую хлорпоглощаемости.

В этом случае вводимый хлор вступает в реакции окисления аммиака или ионов аммония с образованием хлораминов:

NH3 HOCl NH2Cl H2O

NH2Cl HOCl NHCl2 H2O

NHCl2 HOCl NCl3 H2O

Сувеличением рН воды меньшее количество хлора связывается

вдихлорамины, а при рН = 8 в воде присутствуют только монохлорамины. По мере увеличения количества введенного в воду хлора будет все с большей интенсивностью происходить окисление моно-

идихлораминов. При дозе 10 мг Cl2 на 1 мг N (в виде NH4+) все хлорамины оказываются окисленными. Гидролиз хлораминов протекает медленнее, чем свободного хлора, поэтому вначале содержание остаточного хлора увеличивается, а затем уменьшается. Точка минимума на кривой соответствует полному разложению соединений хлора и азота.

37

Обычно вода для питьевых нужд хлорируется малыми дозами, а для обеззараживания сточных вод (хозяйственно-бытовых, коммунальных, ливневых, промышленных) используют большие дозы с ведением процесса до перехода точки перелома и полного разрушения хлораминов.

Оптимальной считается доза, которая обеспечит в воде концентрацию «остаточного хлора» в соответствии с требованиями СанПиН – 2000 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль за качеством»:

–0,3–0,5 мг/л свободного хлора при времени контакта 30 мин;

–0,8–1,2 мг/л связанного хлора при времени контакта 60 мин. Кроме хлорирования для обеззараживания воды используется ме-

тод обработки ультрафиолетовыми лучами. УФ-лучи длиной волны 220–280 нм обладают бактерицидным эффектом, причем максимум бактерицидного действия соответствует длине волны 260 нм. При действии УФ-лучей на бактериальные клетки происходит поглощение квантов света нуклеиновыми кислотами ядра клетки и нарушение в результате этого процессов биосинтеза белка. Источниками УФлучей является ртутно-аргонная или ртутно-кварцевая лампа.

Бактерицидный эффект ультрафиолетовых лучей резко снижается при содержании в воде взвешенных веществ свыше 15 мг/л, поэтому вода, подвергающаяся обеззараживанию, должна быть прозрачной и бесцветной.

Преимущество этого способа обеззараживания перед хлорированием заключается в том, что одинаково поражаются вегетативные тела бактерий и споры, при этом состав облучаемой воды не меняется и вода не приобретает дополнительных запахов и привкусов.

Сочетание хлорирования и УФ-обработки позволяет снизить дозу активного хлора при обеззараживании воды.

Следует отметить, что процессы хлорирования природной воды сопровождаются образованием токсичных хлорсодержащих органических веществ (ХОС), например хлороформа. Существует ряд приемов, позволяющих снизить содержание ХОС:

– использование в качестве окислителя озон. Озон обладает более сильными окислительными и бактерицидными свойствами, его сле-

38

дует применять вместо хлора на стадии предварительной обработки воды. Доза озона, необходимая для обеззараживания воды, определяется опытным путем и обычно не превышает 3–5 мг/л. Применяя озон в технологии водоподготовки, следует учитывать, что он неустойчив и быстро разлагается в воде. Для обеспечения надежного обеззараживания очищенной воды и пролонгирования дезинфицирующего действия реагентов в водопроводной сети окончательное обеззараживание воды следует проводить хлором, при этом необходимо:

–проведение предварительного коагулирования воды перед хло-

рированием для снижения содержания в воде планктона, являющегося предшественником ХОС;

–использование для обеззараживания связанного хлора (хлора-

мины). При использовании связанного хлора для обеззараживания воды концентрация образующихся ХОС уменьшается на 60–80 %. Максимальный эффект достигается при условии, если весь хлор находится в воде в виде хлораминов, что достигается при соотношении аммиака и хлора 1:3–1:4.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 Обеззараживание воды хлорированием

Цель работы – определение оптимальной дозы «активного хлора» при обеззараживании воды.

Приборы и оборудование:

1.Колбы конические объемом 250 мл.

2.Пипетки градуированные.

Реактивы:

1.Хлорная известь, 1%-й раствор или раствор гипохлорита на-

трия, 10 г/л.

2.Тиосульфат натрия, 0,05 н раствор.

3.Йодистый калий, 5%-й раствор.

4.Серная кислота разбавленная (1:3).

5.Соляная кислота, 5 н раствор.

6.Метиловый оранжевый, 0,005%-й раствор.

7.Крахмал, 0,5%-й раствор.

8.Реактив Несслера.

39

Порядок выполнения работы

Опыт 1. Определение концентрации активного хлора в исходном растворе хлорсодержащего реагента (хлорной извести)

В коническую колбу емкостью 250 мл отмерить 100 мл дистиллированной воды и прибавить 1 мл исходного раствора хлорной извести или гипохлорита натрия. Затем к пробе прибавить 2 мл серной кислоты (1:3) и 3 мл 5%-го раствора йодистого калия, полученный раствор закрыть пробкой и поставить на 3–5 мин в темное место. Затем оттитровать выделившийся иод 0,05 н раствором тиосульфата натрия до соломенно-желтого окрашивания, после чего прибавить 2 мл раствора крахмала и продолжить титрование до исчезновения синего окрашивания.

Вычислить концентрацию активного хлора (мг/л) по формуле

CCl V Cн 35,51000 ,

V2

где V – объем тиосульфата натрия, израсходованного на титрование пробы, мл; Сн – нормальность раствора тиосульфата натрия; 35,5 – эквивалентнаямассахлора; V2 – объемпробы, взятойдляопределения, мл.

Опыт 2. Качественное определение ионов аммония в анализируемой воде

Для определения ионов аммония в анализируемой воде в пробирки отбирают 5 мл пробы и добавляют 3–5 капель реактива Несслера. Изменение окраски и появление осадка указывает на присутствие в воде соединений азота.

Опыт 3. Определение оптимальной дозы хлора

Для определения оптимальной дозы хлора, необходимой для обеззараживания воды, обработать пробы исследуемой воды (объем 100 мл) различными дозами раствора хлорной извести или гипохлорита натрия (ориентировочные дозы 1, 3, 5, 8 мг/л). Закрыть колбы пробками и поставить в темное место на 30 мин. Через 30 мин определить содержание остаточного хлора в обработанных пробах методом, описанным выше.

40