Физико-химические основы технологии обезвреживания жидких техногенных отходов

А. Д. Стоянова, Т. В. Конькова







            ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ЖИДКИХ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ










Допущено федеральным учебно-методическим объединением в сфере высшего образования по укрупненной группе специальностей и направлений подготовки 18.00.00 «Химические технологии» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров 18.03(04).01 «Химическая технология»













Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 628.3
ББК 35:34.663:38.761.2
     С82



Рецензенты:
доктор технических наук, доцент Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана А. С. 'Козодаев;
доктор технических наук, доцент, профессор кафедры химико-фармацевтического инжиниринга Российского химико-технологического университета имени Д. И. Менделеева
М. Г. Гордиенко


     Стоянова, А. Д.
С82    Физико-химические основы технологии обезвреживания жидких техно-
     генных отходов : учебное пособие / А. Д. Стоянова, Т. В. Конькова. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 228 с. : ил., табл.
       ISBN 978-5-9729-1523-1

        Изложены современные базовые методы очистки и обезвреживания сточных вод химических производств от взвешенных веществ, органических и неорганических соединений. Приведена основная классификация сточных вод, а также типы загрязняющих веществ. Дана актуальная терминология и ссылки на нормативно-правовую документацию. Подробно описаны и приведены примеры реализации изучаемых методов (механические, мембранные, физико-химические, химические, электрохимические, биологические), оборудования и новых технологий, применяемых в очистке и обезвреживании сточных вод.
        Для студентов, обучающихся в вузах по направлению 18.00.00 «Химическая технология». Представляет интерес для научных работников при разработке и выборе методов очистки и обезвреживания сточных вод.

                                                        УДК 628.3
                                                        ББК 35:34.663:38.761.2










ISBN 978-5-9729-1523-1

     © Стоянова А. Д., Конькова Т. В., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ.........................................................5
Глава 1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА.....................7
Глава 2. КЛАССИФИКАЦИЯ СТОЧНЫХ ВОД И ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ПРИМЕСЕЙ........................................................11
Глава 3. НОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ВОД..............................14
  3.1. Органолептические показатели.............................19
  3.2. Общие и суммарные показатели.............................23
  3.3. Минеральный состав воды..................................32
  3.4. Интегральные показатели качества воды - индексы качества.40
Глава 4. ОТБОР И КОНСЕРВАЦИЯ ПРОБ...............................43
Глава 5. МЕТОДЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД.............................48
Глава 6. МЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ............................50
  6.1. Усреднение концентраций загрязняющих веществ в производственных стоках.....................................50
  6.2. Предварительное процеживание.............................52
  6.3. Оборудование для выделения нерастворимых примесей под действием гравитационных сил..............................53
  6.4. Оборудование для удаления взвешенных веществ под действием центробежных сил.........................................60
  6.5. Оборудование для удаления всплывающих примесей...........64
  6.6. Оборудование для фильтрации взвешенных веществ...........67
Глава 7. МЕМБРАННЫЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ..............................83
  7.1. Классификация мембранных методов.........................84
  7.2. Обратный осмос...........................................88
  7.3. Технические характеристики и классификация мембран.......90
  7.4. Мембранные аппараты для очистки сточных вод..............93
  7.5. Причины снижения эффективности мембранного процесса......99
Глава 8. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ......................104
  8.1. Коагуляция и флокуляция.................................104
  8.2. Флотация................................................110
  8.3. Адсорбция...............................................123
  8.4. Ионный обмен............................................131
  8.5. Ректификация............................................140
  8.6. Экстракция..............................................142
  8.7. Кристаллизация..........................................146
Глава 9. ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ.............................149
  9.1. Нейтрализация...........................................149
  9.2. Окисление...............................................153
  9.3. Восстановление..........................................163
  9.4. Осаждение нерастворимых соединений......................165
Глава 10. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ.....................170
  10.1. Электрохимическое окисление и восстановление.......174

3

  10.2. Электрокоагуляция...................................180
  10.3. Электродиализ.......................................184
  10.4. Электрофлотация.....................................189
Глава 11. БИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ......................198
  11.1. Общие положения.....................................198
  11.2. Аэробные методы очистки в естественных условиях.....208
  11.3. Аэробные методы очистки в искусственных сооружениях.211
  11.4. Анаэробные методы очистки...........................219
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................222
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК....................................223

4

        ВВЕДЕНИЕ


     В последние годы проблема охраны окружающей среды, ресурсосбережения и экологии занимает лидирующие позиции среди актуальных вопросов всех развитых стран. Как известно, в Европе экология играет большую роль в человеческой деятельности, причем не только производственной, но и бытовой. К счастью, в Российской Федерации тоже пришли к переосмыслению важности экологических проблем, особенно потерпев ряд экологических фиаско, начиная со знаменитой Чернобыльской катастрофы. Человечество пришло наконец к выводу, что планета одна, и здоровое существование людей на ней полностью зависит от нас самих.
     Вредное воздействие на окружающую среду происходит в результате практически любой жизнедеятельности современного человека, от мусора до выхлопных газов автомобилей. Однако во многом вредное воздействие на состояние природы происходит в результате деятельности промышленных предприятий, отличающихся большим количеством вредных отходов различных фаз: вредные выхлопы, отходы сточных вод, ядовитые осадки, твердые неперерабатываемые отходы. Именно поэтому вопросы защиты экологии от негативного промышленного воздействия являются на сегодняшний день ключевыми среди предприятий совершенно различных профилей.
     Становясь инженерами, химиками, строителями, люди должны понимать, какую ответственность они несут перед обществом и планетой. Частой причиной становятся косвенные действия человека, например, использование на предприятиях устаревших технологий или централизации групп производств на одной территории. Кроме того, в большинстве крупных предприятий отсутствует система экологической защиты или она недостаточно разработана, чтобы справляться с объемами отходов.
     В технологических процессах используемая вода загрязняется различными неорганическими (кислоты, щелочи, соли (сульфаты, хлориды, нитриты, фосфаты, карбонаты и др.) тяжелых и цветных металлов) и органическими (поверхностно-активные вещества (ПАВ), красители, нефтепродукты, масла, компоненты моющих составов и др.) веществами, комплексообразователями (на основе аммиака, винной, уксусной и др. органических кислот), а также другими комплексными соединениями. Все указанные выше загрязнители при превышении допустимых норм представляют опасность как для окружающей среды, так и для здоровья человека, являясь токсичными и ядовитыми [1].
     Применение же различных композиционных материалов (углепластики, стеклопластики, металлоорганические соединения и др.) приводит к тому, что в сточные воды попадают малорастворимые загрязнения с малыми размерами частиц и коллоидной устойчивостью. К таким загрязняющим веществам относят в первую очередь различные формы углерода (сажа, активный уголь, высокодисперсный углеродный материал (размер частиц 300 нм - 1 мкм); электрокорунд, карбид кремния (фракция 0,1-2,0 мм), оксидные соединения титана (с размерами

5

частиц от 100 нм до 10 мкм), а также органические компоненты: реакционноспособные олигомеры, полиамидокислота, компоненты эпоксидных смол (полиэтилен гликоль, эпихлоргидрин, силаны, и др.), различные активные разбавители с полярными функциональными группами [1].
     Очевидно, что каждый способ снижения вредного промышленного влияния на экологию представляет собой огромное количество методик, установок, подходов и т. д., которые необходимо уметь грамотно использовать и внедрять в производство.

6

        Глава 1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА

     Промышленность имеет наиболее развитую и разветвленную структуру среди всех отраслей хозяйственной деятельности. В большинстве случаев промышленное предприятие состоит из многочисленных производств, которые могут сильно отличаться друг от друга. Предприятия различных отраслей промышленности разделяют по характеру воздействия на предметы труда:
     -     на предприятия добывающей промышленности (добыча полезных ископаемых, руды черных и цветных металлов, строительных материалов (песок, глина, сырье для цемента и др.);
     -     предприятия перерабатывающей промышленности (химическая и легкая промышленность, пищевая и металлургическая индустрия, нефтеперерабатывающая и деревообрабатывающая промышленность, энергетические предприятия и др.).
     Стоимость продукции добывающей промышленности составляет всего около 10 % индустрии мира, так как цена добываемого сырья в большинстве случаев невелика. Остальные 90 % приходится на стоимость всех отраслей обрабатывающей промышленности.
     Классифицировать экологические проблемы можно совершенно в различной последовательности и хронологии (табл. 1.1).


Т а б л и ц а 1.1

Классификация экологических проблем различных отраслей промышленности

         Отрасль                              Проблема                    
                           - выбросы химических газов, паров и пыли;      
Химическая промышленность  - отходы синтетических материалов (смолы,      
                           пластмассы, реактивы);                         
                           - загрязнение побочными продуктами сточных вод 
                           - сточные воды, загрязненные нефтепродуктами,  
                           сульфатами, хлоридами, соединениями азота,     
Нефтеперерабатывающие      фенолами т. д.;                                
крупнотоннажные            - загрязнение почвы через сточные воды;        
производства               - токсичные отходы из химически активных газов,
                           выделяющихся во время эксплуатации очистных    
                           сооружений                                     
                           - выбросы пыли гранулометрического состава,    
                           диоксида серы, оксида углерода и т. д.;        
Машиностроительные заводы  - выбросы масляных и сварочных аэрозолей;      
                           - выбросы ароматических и эфирных              
                           углеводородов в сточные воды                   
                           - загрязнения сточных воды осадками тяжелых    
Гальванические предприятия и цветных металлов                             

7

О к о н ч а н и е т а б л и ц ы 1.1

         Отрасль                             Проблема                   
                           - выбросы в атмосферу пыли и взвешенных      
Предприятия по выпуску     вещества (бетоны, асбесты, оксид углерода,   
строительных материалов    толуол, бензол и т. д.)                      
                           - загрязнение сточных вод волокно-, коалино-,
Деревообрабатывающие       щелоко- и хлоросодержащими стоками;          
заводы                     - накопление токсичных илов;                 
                           - ухудшение качества воды                    
Пищевая промышленность     - истощение природных ресурсов               
Легкая промышленность      - доля вредных выбросов всего < 1 %          
                           - тепловое загрязнение;                      
                           - загрязнение продуктами сгорания;           
Энергетические предприятия - электромагнитное воздействие;              
                           - радиоактивное загрязнение;                 
                           - воздействие на акваторий                   

     Экологические проблемы производств могут возникать из-за следующих факторов:
     -      загрязнение атмосферы газовыми выхлопами;
     -      загрязнение гидросферы жидкими отходами и осадками;
     -      нерациональное использование гидроресурсов;
     -      возникновение промышленных и бытовых отходов;
     -      нарушение норм захоронения опасных отходов;
     -      нарушение норм хранения и утилизации стройматериалов;
     -      проблемы энергосбережения;
     -      угрозы техногенного характера.
     В соответствии с Федеральным законом от 24 июня 1998 г. № 89-ФЗ «Об отходах производства и потребления» отходы России подразделяют на 5 классов опасности:
     I        класс. Чрезвычайно опасные отходы. Экологическая система необратимо нарушена. Период восстановления отсутствует.
     II       класс. Высокоопасные отходы. Экологическая система сильно нарушена. Период восстановления не менее 30 лет после полного устранения источника вредного воздействия.
     III       класс. Умеренно опасные отходы. Экологическая система нарушена. Период восстановления не менее 10 лет после снижения вредного воздействия от существующего источника.
     IV        класс. Малоопасные отходы. Экологическая система нарушена. Период самовосстановления не менее 3 лет.
     V        класс. Практически неопасные отходы. Экологическая система практически не нарушена.
     Критерии отнесения отходов к I-V классам опасности по степени негативного воздействия на окружающую среду определяются приказом Министерства 8

природных ресурсов и экологии РФ от 4 декабря 2014 г. № 536 «Об утверждении Критериев отнесения отходов к I-V классам опасности по степени негативного воздействия на окружающую среду».
     В 2017 г. на территории Российской Федерации, по данным Росприроднадзора, образовалось 6220,6 млн т отходов (табл. 1.2). Основной вклад в общее количество отходов вносят отходы V и IV классов опасности (практически неопасные и малоопасные).
     Таким образом, можно сделать вывод, что больше всего от воздействия предприятий страдают водные объекты, которые загрязняются жидкими отходами промышленных объектов.
     В связи с разнообразием состава, свойств и расхода сточных вод промышленных предприятий необходима разработка и применение различных методов и сооружений по очистке воды и обработке образующегося осадка.


Т а б л и ц а 1.2
Динамика образования отходов производства по классам опасности в Российской Федерации в 2010-2018 гг.

Класс опасности          Количество отходов, млн т          
                    2010 г. 2012 г. 2014 г. 2016 г. 2018 г.
Всего, млн т        3734,7  5007,91 5168,3  5441,3  6220,7 
I класс опасности   0,17     0,05   0,06     0,03   0,02   
II класс опасности  0,71     0,46   0,30     0,30   0,22   
III класс опасности 16,7     11,6   19,7     19,3   17,1   
IV класс опасности  96,8     101,5   104,3   78,6   90,4   
V класс опасности   3620,4  4894,3  5044,0  5343,1  6112,9 

     Как правило, химические предприятия имеют интегрированную систему водоснабжения и водоотведения. При этом сточные воды могут собираться или усредняться в единый поток или несколько потоков. При необходимости их либо подвергают обработке с последующим использованием или очистке перед сбросом в водный объект, либо передают на очистку в специализированную организацию [2].
     В табл. 1.3 представлен общий объем сброса сточных вод основных обрабатывающих производств в поверхностные водоемы в Российской Федерации за 2012-2015 гг. [2].
     В 2017 г. сброс сточных вод обрабатывающих производств был на уровне 2,5 млрд м³, т. е. примерно 17 % от общих сбросов в РФ. Если принять все сброшенные сточные воды обрабатывающих производств за 100 %, то предприятия химической промышленности сбрасывали 22 % сточных вод, целлюлозно-бумажное производство - 35 %, металлургическое производство и производство


9

готовых металлических изделий - 30 %, а остальные 13 % сбросов сточных вод отводятся на производства нефтепродуктов, транспортных средств, пищевых продуктов и др.


Т а б л и ц а 1.3

Объем сброса сточных вод в поверхностные водные объекты обрабатывающих производств, млрд м³ [2]

                                            Объем сточных вод, млрд м3     
                                           2012 г. 2013 г. 2014 г. 2015 г.
Общий объем сточных вод обрабатывающих      2,88    2,71    2,52   2,54   
производств, из них:                                                      
целлюлозно-бумажное производство            0,91    0,91    0,86   0,83   
металлургическое производство               0,79    0,73    0,66   0,73   
химическое производство                     0,65    0,60    0,54   0,54   
производство кокса и нефтепродуктов         0,14    0,11    0,10   0,11   
производство транспортных средств           0,11    0,09    0,08    0,078 
и оборудования                                                            
производство пищевых продуктов, напитков   0,053   0,052    0,051   0,040 
и табака                                                                  
производство прочих неметаллических        0,042   0,042    0,045   0,048 
минеральных продуктов                                                     
обработка древесины и производство изделий 0,020   0,015    0,022   0,023 
из дерева                                                                 

10

        Глава 2. КЛАССИФИКАЦИЯ СТОЧНЫХ ВОД И ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ПРИМЕСЕЙ

     Сточными называются воды, использованные на бытовые, производственные или другие нужды и загрязненные при этом дополнительными примесями, изменившими их первоначальный химический состав и физические свойства, а также воды, стекающие с территории населенных пунктов и промышленных предприятий в результате выпадения атмосферных осадков или поливки улиц.
     Сточные воды от населенных мест и промышленных предприятий могут быть классифицированы по различным признакам:
     - условиям образования;
     - фазово-дисперсному состоянию загрязнений;
     - виду веществ, содержащихся в стоках.
     В зависимости от условий образования сточные воды подразделяют на хозяйственно-бытовые, атмосферные и производственные.
     Хозяйственно-бытовые сточные воды - это стоки столовых, бань, прачечных, туалетов и другие. В бытовых сточных водах органические вещества в загрязнениях составляют примерно 58 % и минеральные - 42 %.
     Атмосферные сточные воды - это дождевые и талые воды, формирующиеся в результате выпадения атмосферных осадков и стекающие с территорий предприятий. Они загрязняются органическими и минеральными веществами.
     Производственные сточные воды образуются в результате использования воды в технологических процессах. Их количество и состав определяются типом предприятия, его мощностью, видами применяемых технологических процессов, от состава исходной свежей воды и от местных условий, схемы водо-обеспечения водоотведения промышленных предприятий.
     Производственные сточные воды также классифицируют по месту образования:
     -      прямое образование (маточные растворы (жидкость, остающаяся после выделения из раствора кристаллов растворенного вещества), промывные воды от очистки (промывки) продукции, паровые конденсаты (соковый пар), закалочные жидкости (используются в процессе термической обработки сплавов, для регулировки температуры и скорости охлаждения), воды от промывки/очистки отходящих газов и др.);
     -      косвенное образование (промывные воды от очистки оборудования, воды от процессов водоподготовки (концентраты, регенерация систем по умягченной и обессоленной воде), хозяйственные, поливомоечные воды, дренажные воды производства).
     Многообразие сточных вод по биохимическому составу делят на три группы: стоки, содержащие минеральные, органические и биологические примеси.

11

     К минеральным примесям относят песок, глину (глинистые частицы), частицы руды, шлак, минеральные солей и другие неорганические загрязнители. Загрязнения неорганического состава присутствуют в сточных водах таких производств, как металлургическая, машиностроительная, рудо- и угледобывающая промышленность, заводы по производству минеральных удобрений, кислот, строительных материалов.
     Органические загрязнения подразделяются по своему происхождению на растительные и животные. Растительные загрязнения - это остатки растений, плодов, овощей, злаков, растительного масла и т. п. Органические загрязнения животного происхождения - это физиологические выделения людей и животных, остатки тканей животных, клеевые вещества и другие. Сточные воды предприятий мясной, рыбной, молочной, пищевой, целлюлозно-бумажной, химической, микробиологической промышленности, заводов по производству пластмасс, каучука преимущественно содержат органические загрязнения.
     Бактериальные и биологические загрязнения вносятся, главным образом, бытовыми сточными водами и стоками некоторых промышленных предприятий (кожевенные заводы, фабрики первичной обработки шерсти, предприятия нефтеперерабатывающей, нефтехимической, текстильной, легкой, фармацевтической, микробиологической промышленности и т. п.).
     Производственные сточные воды, в отличие от атмосферных и бытовых, не имеют постоянного состава и могут быть разделены:
     1)  по составу загрязнителей:
       -  загрязненные преимущественно минеральными примесями;
       -  загрязненные преимущественно органическими примесями;
       -  загрязненные как минеральными, так и органическими примесями;
     2)  по концентрации загрязняющих веществ:
       -  с содержанием примесей 1-500 мг/л;
       -  с содержанием примесей 500-5000 мг/л;
       -  с содержанием примесей 5000-30000 мг/л;
       -  с содержанием примесей более 30000 мг/л;
     3)  по кислотным свойствам загрязнителей:
       -  неагрессивные (pH 6,5-8);
       -          слабоагрессивные (слабощелочные - pH 8-9 и слабокислые - pH 66,5);
       -          сильноагрессивные (сильнощелочные - pH>9 и сильнокислые -pH<6);
     4)       по токсическому действию и действию загрязнителей на водные объекты :
       -         содержащие вещества, влияющие на общесанитарное состояние водоема (на скорость процессов самоочищения);
       -         содержащие вещества, изменяющие органолептические свойства (вкус, запах, цвет и др.);
       -         содержащие вещества, токсичные для человека и обитающих в водоемах животных и растений.

12