Очистка сточных вод - обработка их с целью разрушения или удаления из них определенных веществ, препятствующих отведению этих вод в водоемы в соответствии с нормативными требованиями.

Методы очистки горнопромышленных сточных вод и жидких отходов горного производства делят на две группы: деструктивные и регенерационные. К деструктивным относят такие методы, при которых загрязняющие сточную воду вещества разрушают окислением, восстановлением или другими химическими и физико-химическими методами. Образующиеся продукты распада удаляются в виде газов и осадков или остаются в растворе. Обработанные таким образом жидкие отходы подлежат сбросу или захоронению. Для деструктивной обработки применяют различные реагентные методы, термическое уничтожение, биохимическое окисление и т.д.

К регенерационным относятся методы, позволяющие возвратить обработанные жидкие отходы в технологический цикл, использовать их в другом производстве или извлечь из них ценные вещества. Объектами регенерации могут быть вода (загрязненные сточные воды), химикаты (отработанные растворы, загрязненные воды), горюче-смазочные материалы (отработанные масла, топлива) и даже многокомпонентные смеси. При регенеративной обработке не всегда обеспечивается полный санитарный эффект, и поэтому может потребоваться дополнительная деструктивная обработка вторичных отходов: обезвреживание солей, извлеченных из регенерированной воды; обработка воды, из которой извлекли ценные примеси; обработка применяемых для регенерации растворов и вод регенерирующих установок.

Тот или иной метод очистки жидких горнопромышленных отходов можно выбрать только на основе изучения их состава и свойств, целесообразности их регенерации или утилизации, а также после выяснения характера и мощности водоема, его народнохозяйственного значения и особенностей использования для определения возможности сброса отходов.

В связи с большим разнообразием состава и свойств сточных вод для их очистки применяют следующие способы: механический, физико-химический, химический, биологический и термический.

Механическая очистка

Механическая очистка используется для удаления из сточных вод нерастворимых взвешенных частиц, которые под действием гравитационных сил выпадают в осадок, если их плотность больше плотности воды, или всплывают на поверхность, если их плотность меньше плотности воды. По мере накопления осажденные или взвешенные загрязнения удаляются.

К механической очистке производственных сточных вод относятся: процеживание, отстаивание, фильтрование и выделение твердой взвеси при помощи центрифуг или гидроциклонов.

Для процеживания сточных вод в зависимости от гидравлических свойств выделяемых частиц используют решетки или сита. Решетки, задерживающие крупные загрязнения, состоят из наклонно установленных параллельных металлических стержней, укрепленных на раме. Сита употребляют в основном для извлечения из производственных стоков ценных продуктов, находящихся в виде нерастворенных примесей.

Чтобы облегчить условия эксплуатации сооружений, главным образом отстойников, служащих для дальнейшей очистки сточных вод, их них необходимо предварительно выделять минеральные загрязнения. Для этого применяют песколовки, среди которых различают горизонтальные (жидкость движется в горизонтальном направлении) и вертикальные (жидкость движется вертикально снизу вверх). Для извлечения из производственных сточных вод жиров, масел и других легких, всплывающих на поверхность веществ применяют жироловки, а для нефтесодержащих стоков - нефтеловушки.

Для повышения эффекта осветления мутных и малоцветных вод, растворов и других жидкостей их после отстаивания фильтруют. Существующие механические фильтры подразделяют на несколько групп. Основные из них: вакуумные (барабанные и дисковые), наливные (карусельные, ленточные, тарельчатые) и под давлением (дисковые, листовые, патронные, дисковопакетные и фильтр-прессы). Часто вместо отстойников применяют гидроциклоны, которые во многих случаях оказываются более эффективными и экономичными. Для осветления небольших количеств сточных вод и для обезвоживания осадка применяют центрифуги.

При разработке природоохранных мероприятий конструктивные параметры отстойников рассчитывают в соответствии со СНиП II31 -74 , «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения» и СНиП II 32-74 «Канализация, наружные сети и сооружения».

Минеральные частицы большой плотности удаляют из сточных вод с помощью гидроциклонов, песколовок, сепараторов и осадительных центрифуг.

Осветлители - аппараты для усиления процесса осветления обработанной коогулянтами воды путем пропускания ее через слой ранее образованных осадков (контактной среды).

Механическая очистка применяется как самостоятельно, так и в качестве первой ступени в сложной системе очистки.

Очень распространенным является осветление сточных вод от легких и тяжелых взвесей в отстойниках различной конструкции: вертикальных, горизонтальных, радиальных, оборудованных специальными устройствами для сбора и удаления выпавших легких фракций. По принципу действия они подразделяются на периодические и непрерывные. На горных предприятиях в основном применяют отстойники непрерывного действия.

Отстаивание - технологический процесс разделения жидкой грубодисперсной системы (суспензии, эмульсии) на составляющие ее фазы под действием силы тяжести. В процессе отстаивания частицы (капли) дисперсной фазы выпадают из жидкой дисперсной среды в осадок или всплывают к поверхности.

Отстаивание как технологический прием используют для выделения диспергированного вещества или очистки жидкости от механических примесей. Эффективность отстаивания возрастает с увеличением разницы в плотностях разделяемых фаз и крупности частиц дисперсной фазы. При этом в системе не должно быть интенсивного перемешивания, сильных конвекционных потоков, а также явных признаков структурообразования, препятствующих седиментации (осаждению).

Накопление осадка (сливок) при отстаивании обусловлено скоростью оседания (всплывания) частиц, которая в простейшем случае свободного движения сферических частиц определяется законом Стокса. В полидисперсных суспензиях сначала в осадок выпадают крупные частицы, а мелкие образуют медленно оседающую муть. Разница в скорости оседания частиц, различающихся по размеру и плотности, лежит в основе разделения измельченных материалов (пород) на фракции (классы крупности) путем гидравлической классификации или отмучивания. В концентрированных суспензиях наблюдается не свободное, а так называемое солидарное, или коллективное, оседание, при котором быстро оседающие крупные частицы увлекают мелкие, осветляя верхние слои жидкости. При наличии в системе коллоидно-дисперсной фракции отстаивание сопровождается укрупнением частиц в результате коагуляции или флокуляции.

Структура осадка зависит от свойств дисперсной системы и условий отстаивания. Грубодисперсные суспензии, частицы которых не слишком сильно различаются по размеру и составу, образуют плотный, четко отграниченный от жидкой фазы, осадок. Полидисперсные и многокомпонентные суспензии тонко измельченных материалов, особенно с анизометрическими (например, пластинчатыми, игольчатыми, нитевидными) частицами, наоборот, дают рыхлые гелеообразные осадки. При этом между осветленной жидкостью и осадком существует постепенный переход от менее концентрированных слоев к более концентрированным. В кристаллических осадках возможны процессы рекристаллизации. При отстаивании агрегативно неустойчивых эмульсий скопившиеся у поверхности в виде сливок или у дна капли коалесцируют (сливаются), образуя сплошной жидкий слой. В промышленных условиях жидкость отстаивается в отстойных бассейнах (резервуарах, чанах) и специальных аппаратах - отстойниках (сгустителях) различных конструкций.

Отстаивание широко употребительно при очистке воды в шахтных системах; при обезвоживании и обессоливании сырой нефти; во многих процессах обогатительной и гидрометаллургической технологий. Отстаивание применяют также при амбарной очистке буровых промывочных жидкостей, а также при очистке нефтепродуктов (масел, топлив). В естественных условиях отстаивание весьма значимо при самоочищении природных и искусственных водоемов.

Отстойники - искусственные резервуары или водоемы для выделения из шахтных, карьерных и производственных сточных вод взвешенных примесей, осаждения их под действием силы тяжести при небольшой скорости потока, а также для очистки сточных вод с помощью реагентов.

Отстойники предназначены также и для снижения износа насосного оборудования и труб при водоотливе, обогащении, гидромеханизации вскрышных работ, для улавливания полезных компонентов и для охраны как земель, так и поверхностных водотоков от загрязнения. Различают отстойники предварительной очистки дренажных, шахтных и карьерных вод, сточных вод обогатительных фабрик и отстойники окончательной очистки вод (природоохранные). Отстойники для предварительной очистки воды располагают в водопонижающих скважинах (глухие трубы, устанавливаемые ниже фильтров), в шахтных стволах, у насосных станций главного и участкового водоотлива (главные и участковые водосборники), а для окончательной — на земной поверхности.

В горной практике для окончательной очистки вод, сбрасываемых шахтами, карьерами, обогатительными фабриками, применяют пруды-осветлители и резервуары. Пруды-осветлители площадью  (в среднем ) размещают в зависимости от рельефа местности: на пологих площадках, косогорах, в балках. Иногда пруд-осветлитель может обслуживать несколько шахт (карьеров). Слив осветленной воды из них производится через специальный порог, уровень которого поднимают, устанавливая по мере заполнения пруда деревянные бруски. Воду из колодцев отводят к стационарным насосным станциям и откачивают потребителю и в речную сеть. Иногда воду из пруда-отстойника перекачивают плавучими насосными станциями, смонтированными на понтонах.

Отстойники в виде резервуаров подразделяются на нетиповые и типовые. Нетиповые представляют собой емкости на земной поверхности различных размеров и формы (обычно прямоугольной). После заполнения до предельной высоты осветленная вода откачивается насосами, а осадок удаляется экскаваторами. Иногда используют несколько нетиповых отстойников (из железобетонных плит), работающих поочередно.

Типовые железобетонные отстойники разделяют на радиальные, вертикальные и горизонтальные. Горизонтальные отстойники, как правило, имеют прямоугольную форму. Вода, поступающая с одной стороны резервуара, осветляется при своем движении и выводится через распределительный лоток и перфорированную перегородку в рабочую часть отстойника. Для удаления осадка вдоль рабочих коридоров по грязевому приямку укладываются перфорированные трубы, из которых осадок выдавливается под давлением воды. Осветленная вода собирается лотком или перфорированной трубой.

Время прохождения частиц вдоль отстойника должно быть больше времени опускания частицы на дно отстойника. Поток воды ламинарный, скорость его не выше . Глубина отстойника , длина - , эффективность очистки не более , время очистки .

Радиальные отстойники - круглые в плане резервуары небольшой по сравнению с диаметром глубины. Загрязненная вода подается в центр отстойника, а затем растекается в радиальном направлении, переливается в кольцевой сливной желоб и отводится к месту назначения. Скорость потока убывает от центра к стенкам отстойника. Осадок непрерывно направляется к центру отстойника вращающейся металлической гребковой фермой со скребками, откуда он непрерывно или периодически удаляется самотеком или с помощью насоса. Диаметр отстойника до  с коническим днищем, уклон . Соотношение диаметра отстойника к его глубине , обычно , . Расход сточных вод более , эффективность очистки . Эффективность работы радиальных отстойников оценивается по удельным нагрузкам по твердому компоненту и пульпе, извлечению твердого компонента в слив и в сгущенный продукт.

Вертикальные отстойники представляют собой круглый ( ) или кубический ( ) резервуар с коническим днищем, угол наклона . В центре отстойника имеется труба, опущенная к нижней части, через которую осуществляется подача загрязненной воды. Осаждение частиц происходит в восходящем потоке, высота зоны осаждения . Загрязненная вода движется снизу вверх и после отстоя сливается в кольцевой желоб. Осадок собирается в нижней конической части, откуда периодически удаляется самотеком. Для выпадения твердой фазы в осадок необходимо, чтобы гидравлическая крупность частиц была больше скорости восходящего потока воды.

Для интенсификации процесса осаждения в отстойниках применяют различные коагулянты и флокулянты (сернокислый алюминий, сернокислое железо, известь, полиакриламид и др.), подаваемые в специальные камеры хлопьеобразования.

Выбор типа, конструкции и числа отстойников производится на основе их технико-экономического сравнения с учетом местных условий. К основным условиям эффективной работы отстойника относятся:

· установление оптимальной гидравлической нагрузки на отстой ник (для заданной начальной концентрации твердого компонента в воде);

· равномерное распределение питания между секциями отстойника.

Очищенные шахтные и карьерные воды используются на производственные нужды предприятия (тушения отвалов, гидрозакладки, борьбы с пылью на поверхности шахт и карьеров, мокрого обогащения полезных ископаемых и т.п.). Осадок, удаляемый из отстойников, направляется в пруды - шламонакопители, на иловые площадки (для использования) или в отвалы.

При выборе технологических схем и устройств для отстаивания вод горнопромышленного комплекса необходимо использовать принцип дифференциации, основным критерием которого служит тип добываемого полезного ископаемого. Например, производственные сточные воды нефтепромыслов состоят в основном ( ) из высокоминерализованных пластовых вод, извлеченных на земную поверхность вместе с нефтью. Поэтому нефтепромысловые сточные воды (даже после их очистки от нефти и механических примесей) не могут сбрасываться в поверхностные водоемы, так как это приведет к их засолению, и подлежат обратной закачке в продуктивные горизонты, что предусматривается технологической схемой разработки нефтяных месторождений. Отстойники нефтепромысловых сточных вод подразделяются на напорные (работающие под избыточным давлением ) и безнапорные (работающие под атмосферным давлением). В качестве напорных отстойников применяются горизонтальные цилиндрические емкости объемом 100 или . Безнапорные отстойники представляют собой в основном стальные вертикальные резервуары объемом от 1000 до .

Загрязненная нефтью и механическими примесями вода подается в отстойники по трубопроводу через лучевой распределитель. Очищенная вода через сифонный регулятор отводится к водяному насосу и закачивается в пласт. Уловленная нефть через кольцевой короб и трубопровод направляется на установку подготовки нефти. Механические примеси, оседающие в нижней части отстойника, периодически размываются струей воды и сбрасываются по трубопроводу в илонакопитель.

За отстаиванием часто следует операция осветления воды - технологический процесс обработки шламовых вод горнопромышленных предприятий под действием гравитационных или центробежных сил, сгущение полученного осадка и отделение его. Осветлением воды называют также процесс разделения жидкой и твердой фаз суспензии (пульпы).

В зависимости от технических, технологических или экологических требований вода до разной степени осветляется дальнейшим отстаиванием, фильтрованием, центрифугированием и флотацией. Наиболее распространены процессы отстаивания и флотации (главным образом в углеобогащении). Фильтрация и центрифугирование используются в основном для получения требуемого качества сгущенного продукта или кека.

Выбор способа осветления воды зависит от степени дисперсности частиц, физико-химических свойств и концентрации взвесей, расхода воды, требуемой степени осветления.

Грубодисперсные взвеси выделяют из шламовых вод чаще всего отстаиванием (без применения реагентов) и флотацией, тонкодисперсные - отстаиванием (с применением реагентов), осаждением в центробежном поле и фильтрованием.

При осветлении получают осветленную воду и сгущенный продукт с максимально возможным содержанием твердого компонента в нем по условиям транспортировки, конструктивным возможностям

аппарата, в котором происходит процесс осветления, и по технологическим требованиям при дальнейшем переделе твердого компонента.

При разделении твердой и жидкой фаз пульпы в гравитационном и центробежном поле условно различают три зоны: осветления; осаждения; уплотнения осадка. В зоне осветления концентрация частиц шлама в воде невысока и поэтому частицы свободно осаждаются. В зоне осаждения концентрация частиц шлама увеличивается, осаждение происходит в условиях стесненного падения, характеризуемого оседанием частиц всей массой. В зоне уплотнения осадка концентрация частиц шлама достигает максимума, а скорость их осаждения приближается к нулю; осадок обезвоживается под действием веса частиц. Концентрация осадка зависит от структуры и размера твердых частиц.

На процесс осветления вод влияют гранулометрический и минералогический состав твердого компонента, его плотность и концентрация, вязкость, температура и рН пульпы, наличие в растворах реагентов. Эффективность осветления воды во многом зависит от правильного приготовления реагента и его дозировки, конструктивных особенностей выбранного аппарата и его удельной производительности.

Для осветления воды в основном применяют устройства и аппараты, в которых расслоение пульпы производят под действием силы тяжести (непрерывного действия - пирамидальные отстойники, конусные и радиальные сгустители; периодического действия - наружные отстойники, шламовые бассейны, пруды); аппараты, в которых расслоение происходит под действием центробежной силы (гидроциклоны, осадительные центрифуги); флотационные машины (вывод грубодисперсного шлама).

Прогрессивным направлением очистки является удаление взвешенных веществ под действием центробежных сил, при этом в несколько раз повышается производительность и уменьшаются размеры отстойника. В качестве таких аппаратов используют гидроциклоны и центрифуги, в которых вода, поданная под давлением , вращательно движется в цилиндрической части вместе с примесями. Крупные примеси отжимаются возникающей центробежной силой к стенкам и вместе с жидкостью по винтовой спирали поступают к сливу. Осветленная вода движется вверх по оси гидроциклона. Эффективность таких аппаратов равна

Для ускорения осаждения тонкодисперсной взвеси в шламовую воду добавляют различные реагенты, вызывающие коагуляцию или флокуляцию, т.е. образование относительно крупных быстро осаждающихся агрегатов. В горной промышленности используются в основном реагентные, сорбционные, электрохимические и другие физико-химические методы очистки вод.

Физико-химическая очистка

При физико-химической очистке сточных вод изменяют физическое состояние загрязнений, что облегчает их удаление из сточных вод. Для этого пользуются методами коагуляции, флокуляции, флотации, сорбции, экстракции, ионного обмена, диализа, осмоса, дистилляции, кристаллизации, магнитной обработки, электрокоагуляции и др.

Коагуляция основана на слипании мелкодисперсных частиц под воздействием специально добавляемых в сточные воды веществ - коагулянтов, в результате чего увеличиваются размеры частиц и интенсивность их осаждения. В качестве коагулянтов применяют соли аммония, железа, магния, известь, шламовые отходы и др.

Если процесс отстаивания протекает медленно, что может быть связано с присутствием мелкодисперсных примесей (угольная пыль), то прибегают к процессу коагулирования. При коагулировании учитывают факторы, влияющие на процесс: температуру, активную реакцию,  среды, интенсивность перемешивания и солевой состав раствора. Процесс коагулирования можно ускорить добавлением флокулянтов — веществ, образующих с водой коллоидные дисперсные системы.

Флокуляция — один из видов коагуляции, когда в качестве флокулянта используют природные органические и синтетические высокомолекулярные вещества (полиакриламид, белки, полиэтиленамин и др.).

Флотация основана на процессах прилипания загрязненных веществ к поверхности раздела двух фаз, например воздуха и воды, образования комплексов и их удаления. Для усиления флотационного эффекта в обрабатываемую жидкость добавляют поверхностно-активные вещества (нефть, мазут, смолы, керосин и др.), которые снижают поверхностное натяжение жидкости, ослабляя связь воды с твердым или коллоидным веществом. Процесс флотации усиливают, вводя в жидкость пенообразователи (тяжелый пиридин, крезол, фенолы и т.д.), которые также понижают дисперсность пузырьков и их устойчивость. В зависимости от способа насыщения жидкости пузырьками воздуха или другого газа различают флотацию с выделением воздуха из раствора, с механическим диспергированием воздуха, с подачей воздуха через сопла или пористые материалы и электрофлотацию.

Метод флотации с выделением воздуха из раствора широко применяют в практике очистки жидкостей, содержащих очень мелкие частицы загрязнений, поскольку он позволяет получить пузырьки.