Очистные сооружения и охрана вод

Для очистки сточных вод применяются механические, физико-химические, биохимические и термические методы.

Механическая очистка сточных вод выполняется до биологической и физико-химической, являясь первой ступенью очистки на станциях аэрации. При этом происходит отделение нерастворимых примесей процеживанием, отстаиванием или фильтрованием.

При этом используется соответствующее оборудование:
— решетки с шириной прозоров 16 мм и при угле наклона к горизонту 60-70°. Скорость протока стоков не превышает 1 м/с. Очистка решетки выполняется вручную или механическим образом (решетки механические поворотные типа МГТ; решетки-дробилки типа РД);
— песколовки для выделения из сточных вод тяжелых примесей (песка, окалины) с гидравлической кратностью 13,2-24,2 мм/с при скорости движения сточных вод 0,08-0,03 м/с. Некоторые типы песколовок позволяют удалить из стоков до 80% песка. Для повышения эффективности песковые бункеры песколовок применяют в сочетании с напорными гидроциклонами;
— отстойники для гравитационного выделения из сточных вод нерастворенных грубодисперсных примесей при плотности выше (или ниже) плотности воды. Отстойники могут быть вертикальными, горизонтальными, радиальными и диагональными. Применение соответствующего вида зависит от требуемой производительности (м3/сут): вертикальные — до 15 000, горизонтальные — менее 20 000, радиальные — более 20 000 и диагональные — до 15 000. Тонкослойные отстойники применяются для очистки сточных вод от взвешенных частиц однородного состава после предприятий металлургической, нефтяной, угольной промышленности;
— преаэраторы для более глубокого осветления стоков перед их биологической очисткой. Биокоагуляторы (вид преаэратора) кроме аэрации воздухом используют активный ил (50% его избыточного количества) обычно они размещены в одном сооружении с отстойником, разделенным на зоны аэрации и отстаивания. Эффективность задержания взвесей при этом возрастает до 75%.
— нефтеловушки для очистки стоков от нефтепродуктов, жиров, смол, парафинов при концентрации выше 100 мг/л. Они могут быть горизонтальными, радиальными, многоярусными. Ширина секций составляет 2—6 м, высота 2—3 м, чтобы обеспечить время отстаивания не более двух часов. Нефтеловушки оснащаются коалесцирующими устройствами, дающими возможность улучшить показатели очистки и увеличить пропускную способность в 2 раза. Нефтеловушки не задерживают тонкоэмульгированные и растворенные нефтепродукты;
— гидроциклоны для выделения из сточных вод грубодисперсных примесей под действием центробежных сил. Часто это первая ступень очистки стоков, которая обеспечивает отделение песка и минеральных частиц размером порядка 0,15 мм и плотностью более 1,2 г/см3. Площади и объемы, занимаемые циклонами, неизмеримо меньше габаритов отстойников той же производительности. Для очистки тонких взвесей используются мультициклоны. Нашли применение открытые и напорные гидроциклоны;
— фильтры при очистке и доочистке стоков от тонкодисперсных примесей, не удаляемых механически на других стадиях. При очистке городских стоков используются сетчатые фильтры с бактерицидными лампами, установленными перед фильтрами с зернистой загрузкой. Фильтры с зернистой загрузкой (напорные или безнапорные) в зависимости от их конструкции и качества сточной воды могут работать в первой ступени очистки или на доочистке вод. По типу конструкции применяются фильтры однослойные (из одного материала), двухслойные (из двух материалов разной плотности), многослойные, каркасно-засыпные, аэрируемые и с плавающей загрузкой. Фильтрующей загрузкой может служить кварцевый песок, керамзит, керамическая крошка, пористая керамика, горные породы, дробленый антрацит. Размер зерен фильтрующей загрузки 0,5-2 мм, высота фильтрующего слоя до 2 м.

Метод обратного осмоса (гиперфильтрации) получил широкое распространение из-за простоты оборудования, способности работать при обычной температуре, малой зависимости эффективности очистки от концентрации загрязнений, возможность изъятия ценных продуктов. При этом методе очищаемые стоки непрерывно фильтруются подавлением через полупроводниковые мембраны, задерживающие молекулы или ионы растворенных органических, неорганических и бактериальных примесей. Недостатком метода является высокая стоимость мембран и их быстрая изнашиваемость.

Физико-химические методы очистки применяют для удаления из стоков растворенных неорганических и органических веществ, а также суспензированных и эмульгированных примесей. Хотя очистка с применением этих методов требует дорогих реагентов, она широко используется из-за своей эффективности, а иногда просто невозможно произвести очистку стоков другими способами (например, многокомпонентных сточных вод: с малой концентрацией загрязнений).

К физико-химическим методам относятся коагуляция и флокуляция; флотация; ионный обмен; адсорбция; экстракция; обратный осмос; ультрафикация; кристаллизация; дистилляция; ректификация; электродиализ; дезорация.

Растворы коагулянтов и флоккулянтов подаются дозировочным насосом в смеситель, где смешиваются со сточной водой в течение нескольких минут. Затем эта смесь направляется в камеры хлопьеобразования, где выдерживается до 30 мин в камере горизонтальной или до 10 минут вертикальной конструкции. После образования хлопьев обработанные стоки поступают на механические очистные сооружения (отстойники, гидроциклоны).

Сточные воды, содержащие фенол, после механической очистки поступают в экстрактор (механический резервуар с перегородками или мешалками) сверху, а экстрагент, плотность которого меньше плотности воды, снизу. Из-за разности плотностей при смешивании воды с экстрагентом образуются встречные вертикальные потоки (вода опускается вниз, а экстрагент поднимается вверх), в результате чего вода отдает фенол экстрагенту. Очистка экстракцией весьма эффективна.

Химическую очистку применяют в тех случаях, когда обеззараживание стоков возможно лишь в результате химических реакций стоков с реагентами и образованием новых веществ, которые легче удалить из сточных вод. В результате протекания реакций конденсации, окисления, нейтрализации появляются менее токсичные вещества и соединения; растворимые соединения превращаются в нерастворимые; кислые и щелочные стоки — нейтрализуются. Применение методов химической очистки требует больших расходов реагентов, а образующиеся в результате реакций новые вещества загрязняют воду, и требуется дополнительная очистка другими способами.

Работе систем автоматического регулирования (САР) процессов нейтрализации кислот в сточных водах обычно предшествует предварительное усреднение состава стоков по принципу регулирования параметра рН, а после этого используют другие методы очистки стоков. Величина рН является наиболее универсальным параметром регулирования процессов химической очистки бытовых и промышленных сточных вод. Она характеризует степень кислотности или щелочности стоков, определяет скорость и направление большинства реакций.

При замерах используются рН-метры, которые наиболее чувствительны в средней части шкалы, соответствующей нейтральной реакции, т.е. фиксируют окончание реакции нейтрализации. Это обеспечивает поддержание нейтральной среды в стоках непрерывной оптимальной добавкой реагентов. Промышленные рН-метры рассматриваются как одно из звеньев САР процесса очистки сточных вод. В этих целях часто используют потенциометрический метод измерения величины рН; основанный на возникновении электрического потенциала на металлическом электроде, погруженном в раствор с ионами того же металла. Величина потенциала зависит от активной концентрации ионов, что определяется формулой:

где Е — электрический потенциал электрода, мВ; R — универсальная газовая постоянная; Т— температура, К; N— валентность металла; F— число Фарадея; а — активная концентрация ионов металла; E0 — потенциал электрода при активной концентрации его ионов, равной единице (нормальный потенциал).

Применяются также рН-метры, в которых в качестве измерительного элемента используется металлооксидный (обычно сурьмяный) электрод. Его применение целесообразно, если стеклянному электроду противопоказан состав стоков (например, в них имеются соединения фтора в количестве более 30 мг/л или сильно абразивные частицы). Все конструкции рН-метров должны предусматривать возможность автоматической компенсации влияния на показания прибора изменений температуры стоков. Это достигается наличием термометров сопротивления или полупроводниковыми элементами, погружаемыми в измерительную среду рядом с электродами.

Станции нейтрализации сточных вод непрерывного действия в максимальной степени нуждаются в автоматизации процесса дозирования подачи реагентов, так как состав и поступление сточных вод испытывают резкие колебания. При обработке стоков на установках периодического действия эти колебания воздействуют значительно меньше. Трудности, связанные с воздействием значительных внешних возмущений на процесс непрерывной нейтрализации стоков, усугубляются наличием существенной нелинейности параметра регулирования (величины рН) воды. Выбор регулирующего органа определяется механическими свойствами наиболее распространенного нейтрализующего реагента (известкового молока).

Системы экстремального регулирования обычно строят на базе автоматического самонастраивающегося пневматического импульсного регулятора любого типа. Этот прибор используется для регулирования процессов с большой инерцией, т.е. не имеющих явно выраженных максимумов (обычно это зависимость имеет вид монотонной кривой с убывающим темпом нарастания). Регулятор работает по принципу шагового поиска максимума регулируемого параметра. Рабочий диапазон изменения входных, выходных и задающих сигналов составляет 0,2-1 кг/см2; длительность импульсов 1-60 мин; приращение входного давления за один шаг 0,02-0,15 кгс/см2; зона: нечувствительности первого звена сравнения 0,015-0,06 кгс/см2; второго звена — 0,01-0,06 кгс/см2.

Управляющие сигналы электрических регуляторов через системы коммутации передаются на магнитный пускатель (при необходимости, через усилитель) для включения исполнительного устройства, перемещающего регулирующий механизм. Пневматические регуляторы обычно управляют своими исполнительными механизмами с помощью встроенного пневмореле.

Выбор конечного звена САР (регулирующего органа или дозатора) производится с учетом конкретных факторов. Решающую роль необходимо отвести учету физико-химических свойств используемых реагентов и согласуемости составляющих САР. Например, регулирующие клапаны с пневматическим приводом применяются, если в качестве реагентов используются чистые агрессивные или неагрессивные растворы (газы, растворы кислот, аммиачная или хлорная вода), исключающие возможность наличия в них твердых примесей. Если в процессе очистки сточных вод используются реагенты в виде суспензий или загрязненных растворов, то для дозирования применяют шланговые клапаны, дозаторы суспензий, насосы-дозаторы. Действие одного из таких дозаторов основано на делении плоской свободно падающей струи, стекающей со сливного лотка.

Дозатор состоит из трех бункеров, установленных на общей раме. Известковое молоко подается в нижнюю часть основного бункера под давлением (с помощью насоса) из бака-мешалки. Излишки раствора из основного бункера поверх трех его стенок переливаются через охватывающий лоток в бункер возврата. Вся конструкция обеспечивает наличие постоянного уровня реагента в «баке постоянного уровня», из которого реагент через прямоугольный вырез попадает на короткий сливной лоток. Известковое молоко стекает с кромки сливного лотка плоской ровной струей и рассекается на две части ножом-делителем. Одна часть струи попадает в приемный бункер, откуда автоматически направляется в обрабатываемые стоки. Вторая часть струи (излишек известкового молока) сливается в бункер возврата, а затем в бак-мешалку.

Регулирующим органом дозатора является нож-делитель, который отсекает нужное количество реагента для подачи в приемный бункер. Поворот (на угол 0-60°) ножа-делителя происходит с помощью исполнительного механизма (электрического или пневматического). В этом диапазоне расходная характеристика дозатора близка к линейной, что играет существенную роль при использовании в системе автоматического регулирования. Таким образом расход дозируемого реагента находится в линейной зависимости от положения ножа-делителя, т.е. от угла поворота вала любого однооборотного исполнительного механизма. Следовательно, указатель положения (поворота) ножа-делителя можно использовать для определения расхода реагента в каждый момент времени.

Широко применяются способы очистки стоков методом ионного обмена. Ионитами можно извлекать из сточных вод соединения мышьяка, фосфора, цианистые, радиоактивные вещества, соли тяжелых металлов. Для очистки используются синтетические ионообменные смолы. Очистка производится в аппаратах периодического или непрерывного цикла. В аппарат периодического действия загружается смола высотой слоя до 2,5 м и производится очистка по стадиям: сорбции, регенерации и промывки от реагента. В аппаратах непрерывного цикла смола движется по замкнутому контуру, последовательно проходя указанные выше стадии.

Нашли практическое применение способы электрохимической очистки стоков, содержащих примеси металлов, кислот и щелочей, которые извлекаются одновременно с очисткой и используются как ценные продукты в производстве.

Таковы возможности очистки стоков, содержащих фенол, ПАВ, цианиды и другие трудно окисляемые примеси, ультразвуковыми колебаниями.

Биохимическая очистка стоков основана на способности некоторых микроорганизмов разрушать органические и некоторые неорганические соединения (сульфиды, соли аммония), превращая их в безвредные продукты окисления (вода, двуокись углерода, нитрат-ионы, сульфат-ионы). Очищенные биологическим способом стоки отвечают как санитарно-гигиеническим требованиям, так и рыбохозяйственным нормативам. К недостаткам методов биологической очистки можно отнести незначительную скорость протекающих окислительных процессов, что требует больших объемов очистных сооружений. Биологическая очистка является завершающей стадией очистки сточных вод химических и нефтеперерабатывающих предприятий.

Термическая очистка сточных вод заключается в полном окислении при высокой температуре (сгорании) примесей стоков с получением нетоксичного твердого остатка. При этом используется оборудование: выпарное, распылительное, разного рода топки. Термические методы допускают упаривание стоков, после чего осуществляется захоронение или использование концентрированных растворов для изъятия ценных продуктов. Достоинством методов термической очистки является отсутствие загрязнения водоемов.

Сложной экологической проблемой является утилизация городских сточных вод, огромные объемы которых скапливаются на иловых площадях (южная площадка г. Санкт-Петербурга 1,5 млн т при влажности 91—93%; иловые карты г. Калуги — до 1 млн м3 при влажности 82—93%). Особенностью осадков промышленных городов является высокое содержание в них тяжелых и цветных металлов.

При чрезвычайных ситуациях (наводнения, ливневые или паводковые воды, сейсмические или карстовые явления, диверсии) может произойти сброс отходов в системы водоснабжения. В то же время эти отходы могут быть использованы для получения строительных материалов и цветных металлов.

В результате очистки сточных вод образуется большое количество осадков, загрязненных токсичными веществами, склонных к загниванию и зараженных патогенными микроорганизмами. Это обусловливает необходимость специальной обработки осадков для последующего их использования.

Содержание металлов (%) в промышленных отходах городов

На станциях аэрации производительностью до 100 000 м3 сточных вод в сутки выполняется центрифугирование осадков с последующей термической сушкой обезвоженного осадка. На более крупных станциях применяют реагентное обезвоживание осадков на вакуум-фильтрах. В качестве реагентов используют хлорное железо (до 5%) и известь (до 15% от массы сухого вещества). Сушка и прогрев осадков до температуры 70°С обеспечивает снижение влажности до 10% и их санитарное обеззараживание. Для экономии топлива сушку осадка осуществляют до 40% влажности (осадок имеет вид твердого сыпучего незагнивающего обеззараженного продукта).

Содержание основных элементов (в % от сухого вещества) в термически высушенном осадке (ТВО) представлено в таблице.

Осадки городских сточных вод (ОГСВ) образуются в результате переработки промышленных и бытовых стоков, а также стоков ливневой канализации. Они могут быть неорганическими или органическими с примерным распределением: белки (до 80%), жиры (до 20%), углеводы (до 8%). Зольность осадков составляет: лежалых — 50—57%, свежих — 40—47% (при теплоте сгорания сухого осадка до 18 кДж/г).

Способами утилизации ОГСВ могут быть:

1. применение их в качестве удобрений после нейтрализации токсичных веществ и снижения содержания металлов;
2. термическая обработка ОГСВ для удаления органики с возможным последующим использованием золы с высоким содержанием (выше 3%) тяжелых металлов в производстве стройматериалов, дорожном строительстве и для других целей, если это экологически безопасно;
3. захоронение ОГСВ на специальных площадках (иловых картах). На этом этапе целесообразно организовать извлечение тяжелых металлов из отходов. Например, на иловых площадках г. Калуга имеется хрома — до 3000 т, меди — до 1000 т, никеля — 100 т, цинка — 850 т, свинца — до 90 т. Таким образом, их извлечение для повторного использования в стоимостном отношении доходит до 30 млн долл. СIIIA (по текущим ценам лондонской биржи, 2000 г.)

Содержание основных элементов (%) в ТВО