АВ 2008г. Выпуск 6 Материалы к разработке Государственной программы "Водная стратегия России"
Приложение 2
ОЧИСТКА БЫТОВЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОКОВ
Очистке стоков в настоящее время уделяют большое внимание. Особо актуальна проблема очистки стоков от различных загрязнений, в том числе - отходов производства и продуктов жизнедеятельности людей. Технология очистки сточных вод включает несколько этапов. Сначала сточные воды очищают от нерастворимых примесей. Крупные предметы удаляют фильтрованием воды через решетки и сетки - механический способ очистки, затем вода поступает в отстойник, где постепенно оседают мелкие частицы.
Для удаления растворенных органических веществ, аммиака и катионов аммония их окисляют с помощью бактерий. Процесс протекает более интенсивно в условиях аэрации. Нитраты превращают в газообразный азот с использованием особых микроорганизмов. Соединения фосфора осаждают в виде малорастворимого ортофосфата кальция, который образуется при добавлении извести (оксида или гидроксида кальция). Этот этап называется биологическим способом очистки. Сточные воды, прошедшие первичную и вторичную очистку, еще содержат растворенные вещества, которые делают их практически непригодными для любых нужд, кроме орошения. Поэтому были разработаны и апробированы более совершенные методы очистки, предназначенные для удаления оставшихся загрязнителей. После повторного отстаивания, поглощения оставшихся примесей активированным углем и дезинфекции сточные воды можно возвращать в природные водоемы или повторно использовать для хозяйственных нужд. Образовавшиеся твердые отходы высушивают, а затем сжигают или вывозят на утилизацию. Из содержащихся в них веществ можно получить горючие газы, удобрения и другие полезные продукты.
1. Механическая очистка сточных вод
Механическая очистка сточных вод - технологический процесс, благодаря которому механическими и физическими методами из сточных вод удаляются нерастворенные примеси. В основном для механической очистки применяются песколовки. Песколовка - устройство для выделения из сточных вод механических примесей минерального происхождения (главным образом песка). Песколовки обычно устанавливают перед отстойниками очистных сооружений систем канализации. Применение песколовок обусловлено тем, что при совместном выделении в отстойниках минеральных и органических примесей затруднён процесс удаления осадка из отстойников и дальнейшая его обработка (сбраживание) в метантенках. В песколовках в основном задерживается песок крупностью 0,25 мм и более. Работа песколовок основана на использовании гравитационных сил. Рассчитываются песколовки таким образом, чтобы в них выпадали тяжелые минеральные частицы, но не выпадал легкий осадок органического происхождения. По характеру движения воды песколовки разделяются на горизонтальные - с круговым или прямолинейным движением воды, вертикальные - с движением воды снизу вверх и песколовки с винтовым движением воды. Конструкцию песколовок выбирают в зависимости от количества сточных вод, концентрации загрязнений. Наиболее часто используют горизонтальные песколовки. Они представляют собой лоток, состоящий из одной или нескольких секций шириной от 0,8 до 8 м, глубиной до 1,2м.
2. Отстойники
Отстаивание - наиболее простой и часто применяемый способ выделения из сточных вод грубо дисперсных примесей, которые под действием гравитационной силы оседают на дне отстойника или всплывают на его поверхности. Рассмотрим основные виды отстойников.Статические отстойники
Нефтетранспортные предприятия (нефтебазы, нефтеперекачивающие станции) оборудуют различными отстойниками для сбора и от нефти и нефтепродуктов. Для этой цели обычно используют стандартные стальные или железобетонные резервуары (отстойники), которые могут работать в режиме резервуара-накопителя, резервуара-отстойника или буферного резервуара-отстойника в зависимости от технологической схемы очистки сточных вод. Исходя из технологического процесса, загрязненные воды нефтебаз и нефтеперекачивающих станций неравномерно поступают на очистные сооружения. Для более равномерной подачи загрязненных вод на очистные сооружения служат буферные резервуары-отстойники, которые оборудуют водораспределительными и нефтесборными устройствами, трубами для подачи и выпуска сточной воды и нефти, уровнемером, дыхательной аппаратурой и т. д. Так как нефть в воде находится в трех состояниях (легко, трудноотделимая и растворенная), то попав в буферный резервуар, легко и частично трудноотделимая нефть всплывает на поверхность воды. В этих резервуарах отстойниках отделяют до 90-95% легко отделимых нефтей. Для этого в схему очистных сооружений устанавливают два и более буферных отстойника, которые работают периодически: заполнение, отстой, выкачка. Объем резервуара отстойника выбирают из расчета времени заполнения, выкачки и отстоя, причем время отстоя принимают от 6 до 24 ч. Таким образом, буферные резервуары (резервуары-отстойники) не только сглаживают неравномерность подачи сточных вод на очистные сооружения, но и значительно снижают концентрацию нефти в воде. Перед откачкой отстоявшейся воды из отстойника сначала отводят всплывшую нефть и выпавший осадок, после чего откачивают осветленную воду. Для удаления осадка на дне резервуара отстойника устраивают дренаж из перфорированных труб.Динамические отстойники
Отличительная особенность динамических отстойников заключается в отделении примеси, находящейся в воде, при движении жидкости. В динамических отстойниках или отстойниках непрерывного действия жидкость движется в горизонтальном или вертикальном направлении, отсюда и отстойники подразделяются на вертикальные и горизонтальные. Вертикальный отстойник представляет собой цилиндрический или квадратный (в плане) резервуар с коническим днищем для удобства сбора и откачки осаждающегося осадка. Движение воды в вертикальном отстойнике происходит снизу вверх (для осаждающихся частиц). Горизонтальный отстойник представляет собой прямоугольный резервуар (в плане) высотой 1,5-4 м, шириной 3-6 м и длиной до 48 м. Выпавший на дне осадок специальными скребками передвигают к приямку, а из него гидроэлеватором, насосами или другими приспособлениями удаляют из отстойника. Всплывшие примеси выводят с помощью скребков и поперечных лотков, установленных на определенном уровне. В зависимости от улавливаемого продукта горизонтальные отстойники делятся на песколовки, нефтеловушки, мазутоловки, бензоловки, жироловки и т.п. В радиальных отстойниках круглой формы вода движется от центра к периферии или наоборот. Радиальные отстойники большой производительности, применяемые для очистки сточных вод, имеют диаметр до 100 м и глубину до 5 м. Радиальные отстойники с центральным впуском сточной воды имеют повышенные скорости впуска, что обуславливает менее эффективное использование значительной части объема отстойника по отношению к радиальным отстойникам с периферийным впуском сточных вод и отбором очищенной воды в центре.Тонкослойные отстойники
Чем больше высота отстойника, тем больше необходимо времени для всплытия частицы на поверхности воды. А это, в свою очередь, связано с увеличением длины отстойника. Следовательно, интенсифицировать процесс отстаивания в отстойниках обычных конструкций сложно. С увеличением размеров отстойников гидродинамические характеристики отстаивания ухудшаются. Чем тоньше слой жидкости, тем процесс всплытия (оседания) происходит быстрее при прочих равных условиях. Это положение привело к созданию тонкослойных отстойников, которые по конструкции можно разделить на трубчатые и пластинчатые.Трубчатые отстойники
Рабочий элемент трубчатого отстойника - труба диаметром 2,5-5 см и длиной около 1 м. Длина зависит от характеристики загрязнения и гидродинамических параметров потока в отстойнике. Применяют трубчатые отстойники с малым (100) и большим (до 600) наклоном труб. Отстойники с малым наклоном трубы работают по периодическому циклу: осветление воды и промывка трубок. Эти отстойники целесообразно применять для осветления сточных вод с небольшим количеством механических примесей. Эффективность осветления в таких отстойниках составляет 80-85%. В круто наклонных трубчатых отстойниках расположение трубок приводит к сползанию осадка вниз по трубкам, и в связи с этим отпадает необходимость их промывки. Продолжительность работы отстойников практически не зависит от диаметра трубок, но возрастает с увеличением их длины. Стандартные трубчатые блоки отстойника изготовляют из поливинилового или полистирольного пластика. Обычно применяют блоки длиной около 3 м, шириной 0,75 м и высотой 0,5 м. Размер трубчатого элемента отстойника в поперечном сечении составляет 5х5 см. Конструкции этих блоков позволяют монтировать из них секции на любую производительность; секции или отдельные блоки легко можно устанавливать в вертикальных или горизонтальных отстойниках.Пластинчатые отстойники
Пластинчатые отстойники состоят из ряда параллельно установленных пластин, между которыми движется жидкость. В зависимости от направления движения воды и выпавшего (всплывшего) осадка, отстойники делятся на прямоточные, в которых направления движения воды и осадка совпадают, противоточные, в которых вода и осадок движутся навстречу друг другу и перекрестные, в которых вода движется перпендикулярно к направлению движения осадка. Наиболее широкое распространение получили пластинчатые противоточные отстойники. Достоинства трубчатых и пластинчатых отстойников - их экономичность вследствие небольшого строительного объема, возможность применения пластмасс, которые легче металла и не корродируют в агрессивных средах. Общий недостаток тонкослойных отстойников - необходимость создания емкости для предварительного отделения легко отделимых нефтяных частиц и больших сгустков нефти, окалины, песка и др. Сгустки имеют нулевую плавучесть, их диаметр может достигать 10-15 см при глубине в несколько сантиметров. Такие сгустки очень быстро выводят из строя тонкослойные отстойники. Если часть пластин или труб будет забита подобными сгустками, то в остальных повысится расход жидкости.3. Биологическая очистка сточных вод
В настоящее время для обработки до 95% сточных вод применяется биологическая очистка сточных вод. Современные сооружения биологической достаточно эффективны, однако они занимают большие площади, расходуют значительное количество электроэнергии на аэрацию, и поэтому вопросы их интенсификации, повышения глубины очистки сточных вод и экономичности весьма актуальны. В то же время за последние годы достижения в области нанотехнологий привели к разработке принципиально новых типов микрофильтрационных мембран, в частности половолоконных. Сочетание биологических методов очистки сточных вод и мембранных методов (для отделения очищенной воды от активного ила) в одном сооружении имеет большие перспективы. Разработки биологической биомембранной технологии очистки сточных вод уже нашли широкое применение в зарубежной практике очистки городских и промышленных сточных вод.Преимущества биологической очистки сточных вод
Основные преимущества биомембранной технологии очистки сточных вод - это высокое качество очищенной воды, полное удаление взвешенных частиц, высокая концентрация активного ила в реакторе и соответственно высокая окислительная мощность, частичное обеззараживание очищенных сточных вод, возможность эксплуатации аэрационных сооружений со вспухшими илами. Совмещение биологических и микрофильтрационных процессов очистки сточных вод приводит также к интенсификации процессов нитрификации за счет полной задержки и накопления в реакторе нитрификаторов. Микрофильтрация позволяет развиваться и задерживаться в системе (даже при очень коротком времени пребывания) медленно растущим микроорганизмам, обладающим интенсивным метаболизмом (нитрификаторам, бактериям, способным окислять трудноокисляемые вещества). Сооружениям биологической очистки отводится главенствующая роль в общем комплексе сооружений очистной канализационной станции. В результате процессов биологической очистки сточная вода может быть очищена от многих органических и некоторых неорганических примесей. Процесс биологической очистки сточных вод осуществляет сложное сообщество микроорганизмов - бактерий, простейших, ряда высших организмов - в условиях аэробиоза, т.е. наличия в очищаемой воде растворённого кислорода. Загрязнения сточных вод являются для многих микроорганизмов источником питания, при использовании которого они получают всё необходимое для их жизни - энергию и материал для конструктивного обмена (восстановления распадающихся веществ клетки, прироста биомассы). Изымая из воды питательные вещества (загрязнения), микроорганизмы очищают от них сточную воду, но одновременно они вносят в неё новые вещества продукты обмена, выделяемые во внешнюю среду. До настоящего времени не существует системы биоиндикации процесса биологической очистки сточных вод, и остаётся справедливым утверждение о множестве разноречивых данных, трактующих взаимосвязь качества очистки и специфических организмов. Это объясняется, прежде всего, особенностями биоценоза активного ила, его высоким адаптационными свойствами, что позволяет развиваться одним и тем же видам в разных экологических зонах, влиянием на его развитие сложного комплекса биотических и абиотических факторов. 3 Физико-химическая очистка сточных вод.
К физико-химическим методам очистки сточных вод относят флотацию, коагуляцию и сорбцию.
Флотация.
Флотация является сложным физико-химическим процессом, заключающимся в создании комплекса частица-пузырек воздуха или газа, всплывании этого комплекса и удалении образовавшегося пенного слоя. Процесс флотации широко применяют при обогащении полезных ископаемых, а также при очистке сточных вод. Процесс флотации - образования комплекса пузырек-частица происходит в три стадии: сближение пузырька воздуха и частицы в жидкой фазе, контакт пузырька с частицей и прилипание пузырька к частице. Прочность соединения пузырек-частица зависит от размеров пузырька и частицы, физико-химических свойств пузырька, частицы и жидкости, гидродинамических условий и других факторов. Процесс очистки стоков при флотации заключается в следующем: поток жидкости и поток воздуха (мелких пузырьков) в большинстве случаев движутся в одном направлении. Взвешенные частицы загрязнений находятся во всем объеме сточной воды и при совместном движении с пузырьками воздуха происходит агрегирование частицы с воздухом. Если пузырьки воздуха значительных размеров, то скорости воздушного пузырька и загрязненной частицы различаются так сильно, что частицы не могут закрепиться на поверхности воздушного пузырька. Кроме того, большие воздушные пузырьки при быстром движении сильно перемешивают воду, вызывая разъединение уже соединенных воздушных пузырьков и загрязненных частиц. Поэтому для нормальной работы флотатора во флотационную камеру не допускаются пузырьки более определенного размера. В зависимости от способа получения пузырьков в воде существуют следующие способы флотационной очистки:
флотация пузырьками, образующимися путем механического дробления воздуха (механическими турбинами-импеллерами, форсунками, с помощью пористых пластин и каскадными методами);
флотация пузырьками, образующимися из пересыщенных растворов воздуха в воде (вакуумная, напорная);
Вакуумная флотация
Вакуумная флотация основана на понижении давления ниже атмосферного в камере флотатора. При этом происходит выделение воздуха, растворенного в воде. При таком процессе флотации образование пузырьков воздуха происходит в спокойной среде, в результате чего улучшается агрегирование комплексов частица-пузырек и не нарушается их целостность вплоть до достижения ими поверхности жидкости.
Напорная флотация
Этот вид флотации выполняется в две стадии: насыщение воды воздухом под давлением; выделение пузырьков воздуха соответствующего диаметра и всплытие взвешенных и эмульгированных частиц примесей вместе с пузырьками воздуха. Если флотация проводится без добавления реагентов, то такая флотация относится к физическим способам очистки сточных вод.
Импеллерная флотация
Флотаторы импеллерного типа применяют для очистки сточных вод нефтяных предприятий от нефти, нефтепродуктов и жиров. Их также можно использовать для очистки сточных вод других предприятий. Данный способ флотации в промышленности применяют редко из-за его небольшой эффективности, высокой турбулентности потоков во флотационной камере, приводящей к разрушению хлопьевидных частиц, и необходимости применять поверхностно-активные вещества.
Флотация с подачей воздуха через пористые материалы
Для получения пузырьков воздуха небольших размеров можно использовать пористые материалы при флотации, которые должны иметь достаточное расстояние между отверстиями, чтобы не допустить срастания пузырьков воздуха над поверхностью материала. На размер пузырька большое влияние оказывает скорость истечения воздуха из отверстия. Для получения микропузырьков необходима относительно небольшая скорость истечения.
Электрофлотация
Сточная жидкость при пропускании через нее постоянного электрического тока насыщается пузырьками водорода, образующегося на катоде. Электрический ток, проходящий через сточную воду, изменяет химический состав жидкости, свойства и состояние нерастворимых примесей. В одних случаях эти изменения положительно влияют на процесс очистки стоков (флотации), в других - ими надо управлять, чтобы получить максимальный эффект очистки.
В общем, достоинствами флотации являются непрерывность процесса, широкий диапазон применения, небольшие капитальные и эксплуатационные затраты на флотацию, простая аппаратура флотации, селективность выделения примесей, по сравнению с отстаиванием большая скорость процесса, а также возможность получения шлама более низкой влажности (90-95%), высокая степень очистки (95-98%), возможность рекуперации удаляемых веществ.
Коагуляция.
Коагуляция применяется для удаления тонкодисперсных взвесей, коллоидов и органических примесей, которые сорбируются хлопьями коагулянтов и переводятся в компактный, хорошо фильтруемый осадок. Осуществляется путем дозирования в воду специальных реагентов. Можно выделить два больших семейства реагентов: коагулянты и флокулянты. В соответствии со своими задачами эти семейства имеют весьма различные характеристики. Коагулянт должен дестабилизировать коллоидную систему путем нейтрализации сил различной природы, обеспечивающих ее устойчивость. Задача флокулянта - увеличение размера хлопьев, образовавшихся в ходе коагуляции и агломерация взвешенных частиц для их механического удаления. В питьевой и технической воде объем использования органических коагулянтов в развитых странах неуклонно растет. Они применяются в дополнение или взамен минеральных коагулянтов. Во многом эта тенденция связана с возможностью при использовании органических коагулянтов сократить или даже исключить содержание остаточных солей металлов в питьевой воде. Дозировки органических коагулянтов и объем получаемого осадка в несколько раз меньше, чем при использовании минеральных коагулянтов. Флокулянты используются в дополнение к коагулянтам для увеличения размеров образующихся хлопьев и их последующего удаления. В данном случае применяются продукты с высокой молекулярной массой, слабой катионностью (до 15%) или анионностью (от 0 до 50%).
Коагулянты и флокулянты широко используются для физико-химической очистки коммунальных и промышленных сточных вод и обезвоживания илов. Экологически и экономически оправданным во многих случаях является строительство локальных очистных сооружений для небольших производств с целью очистки специфических стоков до сброса в общий коллектор. Это позволяет использовать высокоэффективные реагенты для данного типа стоков, повысив, таким образом, степень очистки и снизив удельные затраты.
Сорбция.
Сорбционное фильтрование применяется для удаления из воды растворенных органических примесей и улучшения органолептических качеств. Осуществляется на осветлительных фильтрах, загруженных активированным углем.