Физико-химические методы основаны на сочетании физических процессов и химических реакций, обеспечивающих удаление растворённых, коллоидных и взвешенных загрязнителей из водных систем. Эти методы занимают промежуточное положение между механической и биологической очисткой, обеспечивая высокую эффективность при обработке как природных, так и сточных вод различного происхождения. Их применение направлено на удаление органических веществ, тяжёлых металлов, фенолов, нефтепродуктов, синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ), красителей и других устойчивых соединений.
Коагуляция представляет собой процесс агрегирования мелких частиц загрязнений в более крупные образования под действием химических реагентов — коагулянтов. Вода содержит коллоидные системы, устойчивость которых определяется электрическим зарядом частиц. Добавление коагулянтов, таких как сульфат алюминия, хлорид железа(III), полимерные алюмосиликаты, приводит к нейтрализации зарядов и последующему осаждению загрязнителей.
Флокуляция, как стадия, следует за коагуляцией и заключается в увеличении размеров агрегатов под воздействием флокулянтов — полимерных веществ (полиакриламид, крахмал, целлюлозные производные). В результате образуются плотные хлопья, которые осаждаются или удаляются фильтрацией. Эффективность процессов зависит от pH среды, температуры и ионного состава воды.
Коагуляционно-флокуляционные методы особенно эффективны при удалении фосфатов, коллоидных органических веществ и микропримесей металлов, часто применяются в сочетании с последующей фильтрацией или флотацией.
Адсорбционные процессы основаны на способности твёрдых материалов поглощать растворённые вещества с поверхности. Наиболее распространёнными адсорбентами являются активированные угли, силикагели, цеолиты, ионообменные смолы и новые наноструктурированные материалы.
Активированный уголь характеризуется высокой пористостью и большой удельной поверхностью, что позволяет эффективно удалять органические соединения, хлорорганику, пестициды, красители и микрозагрязнители. Цеолиты и глины проявляют избирательную сорбцию ионов тяжёлых металлов. Для повышения эффективности адсорбции применяются модифицированные материалы, например, углеродные нанотрубки и графеновые сорбенты, обладающие повышенной химической стойкостью и ёмкостью.
После насыщения сорбента проводится регенерация путём термической или химической обработки, что позволяет многократно использовать материал и снижать эксплуатационные расходы.
Ионный обмен заключается в замещении ионов, присутствующих в растворе, на ионы, находящиеся в структуре твёрдого ионообменного материала. Этот метод применяется для деминерализации, умягчения и обессоливания воды, а также для удаления токсичных катионов и анионов, таких как свинец, ртуть, кадмий, нитраты и фториды.
Катиониты и аниониты представляют собой синтетические смолы на основе полимеров (например, полистирольных матриц с функциональными группами —SO₃H или —N⁺(CH₃)₃). В зависимости от природы загрязнителей выбираются сильнокислотные, слабокислотные, сильноосновные или слабоосновные обменники.
Ионный обмен отличается высокой избирательностью и возможностью глубокой очистки, однако требует периодической регенерации растворами кислот или щелочей. В современных установках ионообмен сочетается с мембранными технологиями для повышения эффективности и долговечности систем.
Мембранные процессы включают обратный осмос, нанофильтрацию, ультрафильтрацию и электродиализ. Основу составляет полупроницаемая мембрана, разделяющая воду и растворённые вещества по размеру молекул или по заряду.
Ключевые достоинства мембранных методов — компактность оборудования, отсутствие необходимости применения химических реагентов и возможность автоматизации. Главным ограничением является склонность мембран к загрязнению и зарастанию, требующая периодической очистки.
Флотация используется для удаления из воды взвешенных и эмульгированных частиц за счёт прилипания их к пузырькам газа и всплывания на поверхность. Наиболее распространённым вариантом является напорная флотация, при которой газ вводится под давлением, формируя мелкодисперсную газожидкостную смесь.
Добавление реагентов — собирателей и пенообразователей — усиливает взаимодействие пузырьков с гидрофобными частицами загрязнителей, такими как нефтепродукты, жиры, органические взвеси. Образующаяся пена с примесями удаляется механическим способом.
Флотация часто используется на стадии предварительной очистки, снижая нагрузку на последующие процессы сорбции или мембранной фильтрации.
Химические методы, основанные на реакциях окисления и восстановления, применяются для разрушения стойких органических соединений, удаления железа, марганца, сероводорода и микрозагрязнителей.
Наиболее распространённые окислители — хлор, озон, диоксид хлора, перекись водорода, а также радикальные системы (например, процесс Фентона: Fe²⁺ + H₂O₂ → Fe³⁺ + •OH + OH⁻). Озонирование обеспечивает глубокое окисление без образования хлорорганических побочных продуктов, а фотокаталитические процессы с использованием TiO₂ или ZnO позволяют разрушать органику под действием УФ-излучения.
Восстановительные методы, напротив, используются для удаления ионов металлов в виде нерастворимых соединений или восстановления нитратов до азота. Их применение особенно важно при очистке промышленных сточных вод, содержащих тяжёлые металлы и нитросоединения.
Практическая эффективность достигается при сочетании нескольких методов в единой технологической схеме. Например, коагуляция и флотация позволяют удалить основную массу взвешенных веществ, после чего адсорбция и ионный обмен обеспечивают тонкую очистку. Мембранные процессы применяются на завершающей стадии для достижения питьевого качества или возврата воды в производственный цикл.
Интеграция физико-химических методов с биотехнологическими процессами создаёт возможность формирования замкнутых водооборотных систем и минимизации экологического воздействия промышленных объектов. Использование безреагентных технологий, автоматизация и энергоэффективные мембраны нового поколения делают эти методы основой современной экологической химии водоподготовки.