Эффективная очистка сточных вод с помощью нанокомпозиции ФФГ. Часть 1. Существующие методы очистки промышленных стоков

Современные тенденции роста народонаселения и ускорения индустриализации ведут к тому, что отходы и загрязняющие вещества образуются быстрее, чем Земля может их переработать и усвоить, а природные ресурсы потребляются более быстрыми темпами, чем воспроизводятся. Достижение устойчивого развития возможно лишь путем переориентации промышленных процессов производства товаров и услуг на новые модели, которые будут способствовать снижению нагрузки на окружающую среду и повышению эффективности промышленного производства. Необходимо внедрение технологий, обеспечивающих создание безопасных для окружающей среды производств, предотвращающих загрязнение природы и обеспечивающих более эффективное использование сырья.

Одни из основных источников загрязнения окружающей среды — это гальванические производства, в которых отходы образуются при обработке поверхности и промывке деталей. Экологическая опасность операций по обработке поверхности определяется экологической опасностью растворов и электролитов, сроком их эксплуатации и величиной уноса технологических растворов поверхностью деталей. Экологическая опасность промывных операций характеризуется объемом и загрязненностью сбрасываемой воды1. По мере осложнения экологической ситуации требования к промышленным предприятиям ужесточаются. Ориентированный на их удовлетворение рынок экологической техники растет, к началу 21 века он составлял 900 млрд долл.2

Разнообразие методов очистки промышленных стоков, применяемых в различных странах, приводит, в конце концов, к необходимости решать одну и ту же проблему утилизации продуктов очистки. Утилизация очистных шламов и других отходов производства — стержень национальных и региональных программ обезвреживания промышленных отходов. Опыт свидетельствует, что во многих ситуациях целый ряд промышленных отходов лучше всего перерабатывать и утилизировать в других производствах.

Все актуальнее становится разработка таких технологий минимизации и обезвреживания отходов производства, которые обеспечивают решение конкретных задач в рамках заданных параметров и без чрезмерных затрат. Эти технологии позволяют предприятию вырваться из тисков, с одной стороны, экологических норм, а с другой — ограниченных финансовых возможностей.

Требования охраны окружающей среды для промышленных сточных вод жестко ограничивают концентрации загрязнителей в спускаемых водах, и для решения этой проблемы предлагается множество методов очистки стоков. Особый интерес представляют методы удаления тяжелых металлов из гальваностоков и производства печатных плат3. Гальваностоки, если с ними обращаться неаккуратно, потенциально опасны для окружающей среды и здоровья людей.Существует ряд основных методов очистки промышленных стоков (в частности, производства печатных плат) от тяжёлых металлов и сопутствующих загрязнений. (Таблица 1)

Таблица 1. Сравнение основных методов очистки сточных вод

Основные методы очистки промышленных стоков

Самый распространенный на сегодня метод очистки промышленных стоков, содержащих ионы тяжелых металлов — реагентный. Он позволяет осадить ионы тяжелых металлов и отделить шлам от очищенной воды. Применяемые при этом способы химического осаждения металлов (обработка стоков щелочью, карбонатами, сульфидами, железным купоросом) обладают рядом достоинств. Так, преимущество щелочной обработки в ее сравнительной простоте, надежности, легкости автоматического контроля рН. Однако у этого метода есть существенные недостатки:

• некоторые металлы обладают амфотерными свойствами, поэтому не удается подобрать такой диапазон рН, при котором все ионы тяжелых металлов можно было бы осадить совместно до требуемых ПДК;
  
• наличие в растворе комплексообразователей затрудняет выделение металлов;
  
• известковые реагенты усложняют решение проблем, связанных с утилизацией осадка;
  
• громоздкое реагентное оборудование и необходимость разделять стоки требуют значительных площадей для размещения очистных станций и большого объёма строительных работ;
  
• расход реагентов так велик, что их производство и применение ставят перед регионами серьезные экологические проблемы;
  
• полученный шлам приходится размещать в специальные полигоны (дорогостоящие и имеющие ограниченную емкость) для токсичных отходов.
  

Главная трудность при применении реагентной технологии — острейший дефицит основных компонентов.

Ионообменный метод позволяет очищать стоки от ионов тяжелых металлов до ПДК. Однако и он имеет ряд недостатков:

• эффективен лишь при низких концентрациях ионов тяжёлых металлов в растворах;
  
• не решает проблему утилизации элюатов;
  
• требует предварительного отделения органических веществ;
  
• связан со значительными капиталовложениями и эксплуатационными затратами (высока стоимость реагента на единицу удалённого металла).
  

Применение ионообменного метода целесообразно лишь при наличии региональных центров по обмену ионитов, что доступно только развитым странам. Регенерировать иониты своими силами обычный завод не в состоянии.

Внедрение электродиализа и обратного осмоса сдерживается сложностью оборудования и дорогостоящей эксплуатацией.

У метода электрокоагуляции, который является вторым после реагентного по степени распространения, свои недостатки:

• не обеспечивает надежной работы очистной станции из-за пассивации электродов, из-за зашламления межэлектродного пространства, изменения условий очистки при срабатывании электродов и колебании концентрации загрязнений в стоках*;
  
• возникают трудности с очисткой залповых сбросов, которые приходится смешивать с промывными водами;
  
• усложняется решение задачи отстаивания осадка из-за выделения водорода;
  
• велики расходы электроэнергии, хлористого калия и листовой стали;
  
• нестабильное осаждение металлов из комплексообразователей.
  

* в сущности этот метод пригоден лишь для производств со стабильным стоком, поэтому его применение невозможно без использования усреднителей, требующих дополнительных помещений и обслуживания.

С 1940-х годов прошлого столетия предпринимались попытки использовать в качестве анодного материала в электрокоагуляции отходы металла. Они оказались неудачными, поскольку специалисты сталкивались с трудностями, вызванными, в основном, пассивацией электродов. Возможность очистки воды коагулянтом, полученным не в самой воде, а в отдельном рабочем растворе, не рассматривалась.

Исследования, проведенные в Литве, показали, что при электрокоагуляции пропускание тока через очищаемую воду — не главное. Решающую роль в процессе очистки играет образующаяся в ходе электролиза коллоидная суспензия соединений железа. Затем выяснилось, что этот препарат может обезвреживать воду и в том случае, если получать его отдельно и затем дозировать в обрабатываемый сток. Параметры рабочего раствора регулировать гораздо легче, чем параметры производственного стока. Можно подобрать раствор с такими характеристиками, которые позволяют получать коагулянт из отходов металла, а не из дорогостоящей стали.

Благодаря этим экспериментальным данным удалось разработать систему очистки гальваностоков, которая основана на применении электрогенерированного коагулянта, получаемого из отходов штамповки, стальной стружки и т.п. Сущность предложенной технологии в том, что предварительно в отдельном электролизере проводится анодное растворение указанных металлических отходов с получением суспензии электрогенерированного коагулянта, которая затем направляется в реактор, где происходит ее смешивание с очищаемым стоком. Готовая суспензия носит название ферроферригидрозоля (ФФГ). ФФГ состоит из наночастиц, имеющих очень большую поверхность, которая содержит химически активные группы, действующие как специфические адсорбенты, и соединения железа (II) и (III). ФФГ используется для нейтрализации и удаления тяжелых металлов, а также для обезвреживания других сопутствующих загрязнителей, таких как фосфаты, органические соединения, остатки смазочно-охлаждающих жидкостей, красителей и детергентов. Это возможно благодаря одновременно работающим нескольким различным механизмам: сорбции, коагуляции, восстановления, ферритизации. Метод пригоден для очистки сточных вод с размещением отходов согласно природоохранным законам и внедрен в нескольких восточно- и западноевропейских странах. Результаты подтверждены в сертифицированных лабораториях разных стран.

Полученный после очистки шлам можно безопасно захоранивать на городских свалках или использовать как сырье для производства различных технических продуктов, таких как керамика, пигменты и т.п. Обезвреженная вода может быть использована в технологических процессах.

Далее подробно остановимся на сравнении реагентного метода, как самого распространенного на практике, и метода очистки с помощью электрогенерированного коагулянта ФФГ.

Цель изучения процесса обработки стоков с применением ФФГ вместо традиционно применяемых технологий — достижение лучших результатов при удалении из стоков ионов тяжелых металлов Cu2+, Zn2+, Ni2+, Cd2+, Cr6+, т.к. они представляют наибольшую экологическую опасность. Результаты, полученные при работе с моделированными стоками, показали, что наиболее эффективное удаление упомянутых металлов происходит при рН 7-9 РИС 1, что позволяет уменьшить концентрации ионов металлов до допустимых норм. Процесс был успешно применен для очистки стоков гальваники и печатных плат. Допустимые нормы Cu2+, Zn2+, Cr6+ и других загрязнителей были достигнуты уже через 10-20 минут. Метод показал себя более эффективным и более быстрым в сравнении с реагентным методом (Таблица 2). Осаждение металлов с использованием щелочных агентов по классической реагентной технологии позволяет значительно снизить входящие концентрации металлов (до 2-8 мг/л), но процесс осложняется обратным растворением гидроксидов. Применение ФФГ позволяет избежать этого недостатка: образовавшиеся нерастворимые соединения не подвергаются растворению и могут храниться даже под открытым небом. Также преимуществом обработки стоков при помощи ФФГ является возможность чистить разные стоки в одном потоке; очищенную воду использовать в технических целях или подключить к рециркуляции. Поэтому достигается более высокая степень обезвреживания уже по первой ступени.

Таблица 2 Сравнение обезвреживания сточных вод традиционным реагентным методом и ФФГ

В тех случаях, когда необходимо достичь еще более высоких показателей (например, для предприятий, расположенных в природоохранных зонах), обязательна вторая ступень очистки РИС 2. Достижение более глубокой очистки на первой ступени с помощью ФФГ позволяет снизить нагрузку на доочистку, что приводит к уменьшению количества единиц оборудования и общего энергопотребления и гораздо меньшему количеству элюатов после регенерации ионообменных колонн.

Электрогенерированный коагулянт ФФГ обладает ферромагнитными свойствами и сильно развитой поверхностью, позволяя проводить осаждение непосредственно в реакторе без использования отстойников РИС 3. Щелочь и кислота применяются только для корректировки значения рН РИС 4. Шестивалентный хром, для восстановления которого обычно применяются токсичные реагенты (бисульфит), восстанавливается и осаждается по общей схеме. В конечном итоге значительно экономится площадь под размещение оборудования и склада хранения химикатов, а также улучшается обстановка для персонала станции.

Для повышения экономических показателей производства немаловажным фактором является рациональное использование ресурсов, в т.ч. водных. Этому способствует организация замкнутого водооборота (рециклизация), которая помогает уменьшить водопотребление и водоотведение различных производственных участков. Обезвреженную воду по реагентной технологии использовать для рециклизации весьма затруднительно, т.к. в процессе ее очистки происходит повышение солесодержания (засаливание). По технологии ФФГ общее солесодержание не изменяется, поэтому такую воду можно использовать как техническую либо довести ее доочисткой до необходимых производству требований РИС 5.

Другим важным фактором оценки эффективности технологии обезвреживания является количество и класс опасности образующихся отходов. По технологии ФФГ получается шлам 4-го класса опасности (неопасные отходы), который возможно утилизировать на полигонах бытовых отходов после оформления соответствующего разрешения или использовать как сырье для производства керамики и пигментов. Для предприятия это означает, что не нужно искать специализированные полигоны для захоронения опасных отходов, а также дает возможность сэкономить, т.к. вывоз шлама 4-го класса стоит в несколько раз дешевле по сравнению с 3 и особенно 2 классом РИС 6.

Таким образом, мы имеем безопасную для окружающей среды технологию и сберегающий ресурсы промышленный процесс4,5.

Внедрив технологию с использованием ферроферригидрозоля, предприятие со средними финансовыми возможностями в состоянии выполнять самые строгие нормы обезвреживания токсичных стоков.

В следующей статье мы подробно раскроем суть технологии ФФГ, особенности процесса получения нанокомпозиции ферроферригидрозоля и его свойства.

ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ.

¹ С. С. Виноградов: Экологически безопасное гальваническое производство, Глобус, Москва, 2002, стр. 336-337

² J. Resa et al.; Water Resources, 34(2000)5, p. 1714-1726

³ Ю. Будиловскис: Экология и промышленность России. 1996, № 8, стр. 12-15

⁴ Д. Будиловскис и Л.С. Ещенко: ЖПХ, 2004, т. 77, стр. 1520-1524

⁵ Д. Будиловскис и др.: Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2004, № 11, стр. 36-38