Очистка сточных вод

Очистка сточных вод — это процесс их обработки с целью разрушения или удаления из них вредных веществ. Освобождение сточных вод от загрязнения — весьма сложное с технологической точки зрения производство. Как и в любом другом производстве, в нем имеются сырье (сточные воды) и готовая продукция (очищенная вода). Указанная сложность определяется тем, что исходное сырье является не только сложным по своему химическому составу, но и может его изменять с течением времени. Поэтому выбор оптимальных технологических схем очистки сточных вод представляет собой достаточно сложную задачу, обусловленную многообразием находящихся в воде примесей и высокими требованиями, предъявляемыми к качеству готовой продукции (очищенной воды).

При выборе методов очистки сточных вод можно базироваться на следующей классификации примесей, содержащихся в сточных водах.

I группа — грубо дисперсные примеси — частицы почвы, песка, глины, эмульсий, которые попадают в водоемы с промышленных предприятий, а также в результате смыва почв. На поверхности таких частиц могут находиться патогенные (болезнетворные) микроорганизмы, вирусы, радиоактивные вещества. Для удаления примесей этой группы используют физико-химические процессы, позволяющие с помощью специальных веществ укрупнять частицы с последующим их осаждением, проводить процесс адгезии — прилипания примесей к поверхности инертных материалов, а также использовать метод флотации, т. е. выводить примеси в пену, которую специально создают в очистных сооружениях.

II группа — коллоидные примеси, которые находятся в воде в виде тонко дисперсных образований (золей или высокомолекулярных соединений). Вещества этой группы изменяют цвет воды. Для их удаления применяют коагулянты — вещества, вызывающие слипание и укрупнение частиц.

III группа — растворенные в воде газы и органические соединения. Вещества этой группы придают воде различные запахи, привкусы, окраску. К наиболее эффективным способам очистки относят аэрирование — продувку воды воздухом, введение окислителей, под действием которых разрушается большинство примесей этой группы, и адсорбцию — удаление примесей с помощью активированного угля, который впитывает (сорбирует) многие примеси.

IV группа — примеси ионной степени дисперсности. Соли, кислоты, основания при поступлении в воду распадаются на катионы. Очистка от примесей этой группы в основном сводится к связыванию ионов различными методами.

Основные методы очистки сточных вод представлены на рис 6.6.

Как видно, каждая из этих групп характеризуется большим набором способов очистки сточных вод, применение которых обусловлено как характером загрязнений сточных вод, так и требованиями, предъявляемыми к качеству очищенной воды. Кроме этого, перечисленные выше методы подразделяют на рекуперациониые и деструктивные.

Рис. 6.6. Схема классификации способов очистки сточных вод.

Рекуперационные методы предусматривают извлечение ценных компонентов из сточных вод и их дальнейшую переработку.

При деструктивных методах вещества, загрязняющие воды, подвергают разрушению путем окисления или восстановления. Затем продукты разрушения удаляют из воды в виде газов или осадков.

Теоретические основы каждого из методов, технологии их реализации и используемое для этого оборудование подробно рассматриваются в соответствующих курсах — «Теоретические основы инженерной защиты окружающей среды», «Процессы и аппараты инженерной защиты окружающей среды». В данном учебнике описываются только сущность того или иного метода и предпочтительная сфера его применения, а также приведены отдельные примеры расчета типового оборудования данного метода.

Сущность механического метода состоит в выделении из сточной воды нерастворенных минеральных и органических примесей. Назначение механической очистки заключается в подготовке сточных вод к биологическому, физико-химическому или другому методу более глубокой очистки. Как правило, механическая очистка является предварительным, реже — окончательным этапом очистки производственных сточных вод.

Высокий эффект очистки сточных вод достигается различными способами интенсификации гравитационного отстаивания — преаэрацией, биокоагуляцией, осветлением во взвешенном слое (отстойники-осветлители) или в тонком слое (тонкослойные отстойники), а также с помощью гидроциклонов. Процесс более полного осветления сточных вод осуществляется фильтрованием — пропуском воды через слой различного зернистого материала или через сетчатые барабанные фильтры и микрофильтры, через высокопроизводительные напорные фильтры и фильтры с плавающей загрузкой — пенополиуретановой или пено-полистирольной.

Преимущество указанных процессов заключается в возможности применения их без добавления химических реагентов. Грубодисперсные частицы в зависимости от размеров улавливаются решетками, ситами, песколовками, септиками, навозоуловителями различных конструкций, а поверхностные загрязнения — нефтеловушками, бен-зомаслоуловителями, отстойниками и др. Механическая очистка позволяет выделять из бытовых сточных вод до 60—75% нерастворимых примесей, а из промышленных — до 95%, многие из которых как ценные примеси используются в производстве. В ряде случаев механическая очистка является единственным и достаточным способом для извлечения из производственных сточных вод механических загрязнений и подготовки их к повторному использованию в системах оборотного водоснабжения. При реализации механического метода очистки сточных вод используются следующие виды оборудования.

Усреднители. При выборе способов и технологического оборудования для очистки сточных вод от примесей необходимо учитывать, что заданные эффективность и надежность работы любого очистного устройства обеспечиваются в определенном диапазоне значений концентраций примесей и расходов сточной воды. Для целого ряда технологических процессов (травильные, гальванические и т. п.) характерен пиковый сброс отработанных технологических растворов, вызывающий существенное увеличение концентрации тяжелых металлов в сточных водах на входе в очистные сооружения. Быстрое таяние снега и интенсивные дождевые осадки также вызывают существенное увеличение расхода поверхностных сточных вод на входе в очистные сооружения.

Для обеспечения нормальной эксплуатации этих сооружений в указанных случаях необходимо усреднение концентрации примесей или расхода сточной воды, а в некоторых случаях — и по обоим показателям одновременно. С этой целью на входе в очистные сооружения устанавливают усреднители, выбор и расчет которых определяются характеристиками пиковых сбросов. Сглаживание пиковых расходов сточных вод, поступающих на очистку, позволяет более экономично и надежно проводить процесс механической очистки.

Очистка сточных вод от твердых частиц в зависимости от их свойств, концентрации и фракционного состава осуществляется методами процеживания, отстаивания, отделения твердых частиц в поле действия центробежных сил и фильтрования через решетки.

Процеживание — первичная стадия очистки сточных вод, предназначенная для выделения из сточных вод крупных нерастворимых примесей размером до 25 мм, а также более мелких волокнистых загрязнений, которые в процессе дальнейшей обработки стоков препятствуют нормальной работе очистного оборудования. Процеживание сточных вод осуществляется пропусканием воды через решетки и волокноуловители.

Решетки применяют для улавливания из сточных вод крупных нерастворенных плавающих загрязнений. Попадание таких отходов в последующие очистные сооружения может привести к засорению труб и каналов, поломке движущихся частей оборудования, т. е. к нарушению их нормальной работы. Решетки изготовляют из круглых и прямоугольных стержней и устанавливают на очистных станциях при поступлении на них сточных вод самотеком.

Решетки подразделяют:

• • на подвижные и неподвижные;
• • с механической или ручной очисткой;
• • устанавливаемые вертикально или наклонно (как при самотечном, так и при напорном поступлении сточных вод).

Аппараты для осаждения примесей из состава сточных вод. Работа многочисленных аппаратов, предназначенных для выделения из сточных вод твердых и жидких примесей, основана на гидродинамических закономерностях процесса отстаивания. К таким аппаратам относятся песколовки, первичные и вторичные отстойники, илоуплотнители, нефтеловушки, смоложиромаслоуловители.

Песколовки предназначены для выделения из сточных вод тяжелых минеральных примесей (главным образом песка) крупностью свыше 0,2—0,25 мм при пропускной способности станции очистки сточных вод более 100 м3/сут. Тип песколовки выбирается с учетом пропускной способности очистной станции и состава очищаемых производственных сточных вод. Число отделений песколовок рекомендуется принимать не менее двух, при этом все отделения должны быть рабочими.

В системах очистки наибольшее применение нашли песколовки с горизонтальным прямолинейным движением воды, горизонтальные с круговым движением воды, круглой формы с тангенциальным подводом воды и аэрируемые. Конструкцию песколовок выбирают в зависимости от количества сточных вод и концентрации твердых примесей.

Пример расчета аэрируемых песколовок. Аэрируемые песколовки применяются в системах очистки сточных вод для выделения из них твердых примесей (песок, частицы земли, окалина, мелкая стружка) со средним размером частиц более 0,2 мм. В общем виде песколовки (рис. 6.7) состоят из подводящего трубопровода 1, воздуховода 2, воздухораспределителей 3, трубопровода 4 для отвода очищенной воды, шламосборника 5 с отверстиями 6 для удаления шлама.

Рис. 6.7. Схема аэрируемой песколовки Целью расчета аэрируемой песколовки является определение площади ее поперечного сечения S и длины L.

где Q — максимальный расход сточных вод, —; W — горизонтальная со;

с ставляющая скорости движения сточных вод, м/с;

где Я_р = 0,5Я — расчетная глубина песколовки, м; Я — рабочая глубина песколовки, м; W₀ — скорость осаждения твердых частиц в жидкости, м/с; k = 1,2—2,43 — коэффициент, характеризующий форму и состояние поверхности твердых частиц, а также условия их осаждения. Например, для частиц песка диаметром 0,0002 м при соотношении ширины песколовки b к ее рабочей глубине, равном 1, 1,25 и 1,5, значение k составляет соответственно 2,43, 2,25 и 2,08.

Скорость осаждения твердых частиц в жидкости W₀ определяется по выражению

iy*eg — ускорения свободного падения, м/с²; d₄ — диаметр твердых частиц; р_ч и р_ж — плотность твердых частиц и жидкости соответственно, кг/м³; р_ж — коэффициент динамической вязкости жидкости, (II • с)/м².

При расчете и проектировании аэрируемых песколовок рекомендуется принимать расход аэрируемого воздуха Q_B = 0,83—0,0014 м³/(м² • с); рабочую глубину песколовки Н = 0,7ч-3,5 м; горизонтальную составляющую.

b

скорости движения сточных вод W = 0,08^-0,12 м/с; отношение — = 1,0−5-1,15.

Отстойники являются основными сооружениями механической очистки сточных вод, используемыми для удаления оседающих или всплывающих грубо-дисперсных веществ.

Различают первичные отстойники, которые устанавливают перед сооружениями биологической или физико-химической очистки, и вторичные — для выделения активного ила. В зависимости от направления движения потока сточных вод отстойники подразделяют на горизонтальные, вертикальные и радиальные. К отстойникам относят и осветлители, в которых одновременно с отстаиванием сточная вода фильтруется через слой взвешенного осадка, а также осветлители-перегниватели и двухъярусные отстойники, где одновременно с осветлением воды происходит уплотнение выпавшего осадка. Выбор типа и конструкции отстойников зависит от количества и состава производственных сточных вод, поступающих на очистку, характеристик образующегося осадка (уплотняемость, транспортируемость). В каждом конкретном случае выбор типа отстойников должен определяться в результате технико-экономического сравнения нескольких вариантов.

Принцип действия гидроциклонов основан на сепарации частиц твердой фазы во вращающемся потоке жидкости. Величина скорости сепарирования частицы в центробежном ноле гидроциклона может превышать скорость осаждения эквивалентных частиц в поле гравитации в сотни раз.

К основным преимуществам гидроциклонов можно отнести: 1) высокую удельную производительность по обрабатываемой суспензии; 2) сравнительно низкие расходы на строительство и эксплуатацию установок; 3) отсутствие вращающихся механизмов, предназначенных для генерирования центробежной силы, поскольку центробежное поле создается за счет тангенциального ввода сточных вод; 4) возможность создания компактных автоматизированных установок. Интенсификацию процессов осаждения взвешенных частиц из сточных вод осуществляют воздействием на них центробежных и центростремительных сил в низконапорных (открытых) и напорных гидроциклонах.

Химические методы применяются для удаления из сточных вод растворимых примесей и основаны на использовании различных реагентов, которые при введении в сточные воды вступают в химические реакции с вредными примесями. В результате примеси окисляются или восстанавливаются с получением малотоксичных веществ или переводятся в малорастворимые соединения и удаляются в виде осадка. Химическая очистка применяется как самостоятельный метод или как предварительный перед физико-химической и биологической очистками.

Ее применяют для снижения коррозионной активности сточных вод, удаления из них тяжелых металлов, очистки стоков от гальванических участков, окисления сероводорода и органических веществ, дезинфекции воды, ее обесцвечивания и в ряде других случаев. Химической очисткой достигается уменьшение нерастворимых примесей до 95% и растворимых — до 25%. Наиболее распространены методы нейтрализации и окисления.

Нейтрализация применяется для очистки стоков от гальванических, травильных и других производств, где используются кислоты и щелочи. Нейтрализация производится путем смешивания кислых сточных вод со щелочами, добавления в сточные воды реагентов (известь, карбонаты кальция и магния, аммиак и др.) или фильтрования через нейтрализующие материалы (известь, магнезит, мел, известняк и др.).

Окисление необходимо для обезвреживания сточных вод от токсичных примесей (медь, цинк, сероводород, сульфиды), а также от органических соединений. В качестве окислителей используют хлор, озон, кислород, хлорную известь, гипохлорид кальция и др. Характер протекания реакций окисления зависит от вида загрязнения, выбранного окислителя и условий окисления.

Наиболее дешевыми, доступными и распространенными реагентами являются известь, используемая в качестве коагулянта и осадителя катионов металлов в виде гидроокиси, железный купорос для связывания анионов серы и цианида, а также группа реагентов-окислителей: хлорная известь, гипохлорит кальция и натрия, жидкий хлор в щелочной среде и озон. Области применения этих реагентов показаны в табл. 6.9.

Таблица 6.9

Области применения химических реагентов для очистки сточных вод.

Физико-химические методы играют значительную роль при очистке сточных вод и применяются как самостоятельно, так и в сочетании с механическими, химическими и биологическими методами. Основная суть физико-химических методов заключается в том, что из сточных вод удаляются тонко дисперсные и растворенные неорганические примеси и разрушаются органические и плохо окисляемые вещества. В последние годы область применения физико-химических методов очистки расширяется, а их удельный вес среди других методов очистки возрастает. К группе физико-химических методов относятся следующие.

Коагуляция — это слипание частиц коллоидной системы при их столкновениях в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты — более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления более мелких (первичных). Первичные частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярпого взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей (дисперсионной) среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и уменьшением их общего числа в объеме дисперсионной среды (жидкости). Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных гетерокоагуляцией.

Сточные воды в большинстве случаев представляют собой слабо концентрированные эмульсии или суспензии, содержащие коллоидные частицы размером 0,001—0,1 мкм, мелкодисперсные частицы размером 0,1 — 10 мкм и более. В сточных водах могут содержаться твердые (каолин, глина, волокна, цемент, кристаллы солей и др.) и жидкие (нефть, нефтепродукты, смолы и др.) частицы. В процессе механической очистки из сточных вод такие частицы удаляются достаточно легко, чего не скажешь о мелкодисперсных и коллоидных частицах. Для их очистки и применяют методы коагуляции, при которой образуются более крупные агрегаты частиц, в дальнейшем удаляемые из сточных вод механическими методами.

Одним из видов коагуляции является флокуляция, при которой мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под влиянием специально добавляемых веществ (флокулянтов) образуют интенсивно оседающие рыхлые хлопьевидные скопления. Эффективность коагуляционной очистки зависит от многих факторов: вида коллоидных частиц; их концентрации и степени дисперсности; наличия в сточных водах электролитов и других примесей; величины электрокинетического потенциала. В качестве коагулянтов используют соли алюминия, соли железа, а также смеси солей A1₁₂(S0₄) з и FeCl₃ в соотношении от 1: 1 до 1: 2 и алюминийсодержащие отходы, травильные растворы, шлаки, насты и смеси.

Флотация — метод удаления из сточных вод нерастворимых примесей, основанный на способности этих примесей при определенных условиях закрепляться на границе раздела фаз «жидкость — газ» (на поверхности пузырьков воздуха). Флотационные установки используют для удаления из сточных вод масел, нефтепродуктов, жиров, смол, гидроксидов, ПАВ и других органических веществ, твердых частиц с гидравлической крупностью менее 0,01 мм/с, полимеров, волокнистых материалов, а также для разделения иловых смесей. Процесс очистки сточных вод методом флотации заключается в образовании механических соединений «частицы — пузырьки», всплывании этих соединений и удалении образовавшегося пенного слоя с поверхности обрабатываемой жидкости.

Прилипание частицы к поверхности газового пузырька возможно только тогда, когда наблюдается несмачивание или плохое смачивание частицы жидкостью. Большое значение при флотации имеют размер, количество и равномерность распределения воздушных пузырьков в сточной воде. Оптимальные размеры воздушных пузырьков 15—30 мкм, а максимальные 100—200 мкм. Для интенсификации образования механических соединений «пузырек — частица» в воду добавляют различные реагенты: собиратели, пенообразователи, регуляторы, которые увеличивают гидрофо-бизацию поверхности частиц, дисперсность и устойчивость газовых пузырьков.

Экстракция — процесс полного или частичного разделения смеси жидких или твердых веществ с помощью растворителя (экстрагента), в котором составляющие части смеси неодинаково растворимы. Экстрагент — это жидкий или газообразный растворитель, обладающий свойствами избирательного извлечения (экстрагирования) одного из компонентов из смеси жидких и твердых веществ. К экстрагентам предъявляются следующие требования: высокая экстрагирующая способность; селективность; малая растворимость в воде; необходимость иметь отличную от воды плотность, небольшую удельную теплоту испарения, малую теплоемкость; низкая стоимость. В качестве экстрагентов используют органические растворители (бензол, тетрахло-ридметан, бутилацетат и др.). Метод экстракции позволяет разделять такие жидкие смеси, которые другими методами разделить невозможно или затруднительно.

Сорбция — процесс поглощения из состава сточных вод загрязнений твердыми или жидкими сорбентами. Применительно к сточным водам сорбционные процессы реализуются в виде адсорбции и ионообменных процессов. Сорбционные процессы представляет собой один из наиболее эффективных методов глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ. Сорбционная очистка сточных вод наиболее приемлема, если в них содержатся преимущественно ароматические соединения, неэлектролиты или слабые электролиты, красители, непредельные соединения. При содержании в сточных водах только неорганических соединений, а также низших одноатомных спиртов этот метод неприменим. Сорбционная очистка может применяться самостоятельно и совместно с биологической очисткой как метод предварительной и глубокой очистки.

Преимуществами данного метода являются возможность адсорбции веществ многокомпонентных смесей, высокая эффективность очистки, особенно слабо концентрированных сточных вод. Адсорбционные свойства сорбентов зависят от структуры пор, их величины, распределения по размерам, природы образования. В качестве сорбентов применяют различные искусственные и природные пористые материалы: золу, торс}), силикагели, алюмогели, активные глины и др. Для адсорбции из жидких сред применяют порошкообразный или гранулированный активированный уголь.

Ионообменные процессы — это процессы обмена между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности твердой фазы — ионита (ионообменная смола). Ионный обмен является одним из основных способов умягчения, опреснения и обессоливания вод, а также способом рекуперации растворенных ионных компонентов. Очистка производственных сточных вод методом ионного обмена позволяет извлекать и утилизировать ценные примеси (соединения мышьяка, фосфора, а также хром, цинк, свинец, медь, ртуть и другие металлы), ПАВ и радиоактивные вещества, очищать сточную воду до предельно допустимых концентраций с последующим ее использованием в технологических процессах или системах оборотного водоснабжения. По знаку заряда иониты делятся на катиониты и аниониты, проявляющие соответственно кислые и щелочные свойства, и могут быть природными и синтетическими. Практическое применение находят природные иониты типа алюмосиликатов, гидроокисей и солей многовалентных металлов, иониты из угля и целлюлозы, а также различные синтетические ионообменные смолы.

Устройства, в которых проводят те или иные процессы электрохимического воздействия на сточные воды, имеют общее название — «электролизеры», а в зависимости от природы протекающие в них процессы делятся на электрокоагуляцию, электрофлотацию, электродиализ.

Электрокоагуляция мелкодисперсных и коллоидных частиц сточных вод в данном случае происходит при пропуске сточных вод через электролизер с анодом, изготовленным из алюминия или железа. Металл анода под действием постоянного тока ионизируется и переходит в сточную воду, частицы загрязнений которой коагулируются образовавшимися труднорастворимыми гидроксидами алюминия или железа. Метод электрохимического коагулирования может быть применен для обработки сточных вод, содержащих эмульгированные частицы масел, жиров и нефтепродуктов, хроматы, фосфаты. Компактность установок, отсутствие реагентного и складского хозяйства, простота обслуживания являются несомненным достоинством метода электрокоагуляции. Однако значительные расходы электроэнергии и металла, являющиеся следствием образования окисной пленки на поверхности электродов, их механического загрязнения примесями сточных вод, а также нагревания обрабатываемой сточной воды, ограничивают область применения этого метода.

Сущность электрофлотации заключается в переносе загрязняющих частиц из жидкости на ее поверхность с помощью пузырьков газа, образующихся при электролизе сточной воды. В процессе электролиза сточной воды на катоде выделяется водород, а на аноде — кислород. Основную роль в процессе флотации частиц играют пузырьки, выделяющиеся на катоде. При применении растворимых электродов (железных или алюминиевых) на аноде происходит анодное растворение металла, в результате в воду переходят катионы железа или алюминия, приводящие к образованию хлопьев гидроокисей. Одновременное образование хлопьев коагулянта и пузырьков газа обеспечивает эффективность флотационного процесса.

Электродиализ — процесс сепарации ионов солей в мембранном аппарате, осуществляемый под действием постоянного электрического тока. Электродиализ применяется для деминерализации сточных вод. В качестве основного оборудования используются электродиализаторы, состоящие из чередующихся катионитовых и анионитовых мембран.

При мембранных методах очистки смеси сточных вод разделяются на компоненты посредством полупроницаемых мембран. Мембранные методы условно делятся на микрофильтрацию, ультрафильтрацию, обратный осмос, испарение через мембраны, диализ, электрод нал из. Наибольшая эффективность и технологичность очистки сточных вод от растворенных примесей, а также при приготовлении ультрачистой деионизованной воды, используемой в технологических процессах микроэлектроники, достигнуты при использовании обратного осмоса, ультрафильтрации и электродиализа. В отличие от процесса фильтрации при осуществлении мембранных процессов на поверхности мембраны осадок практически не образуется, а получаются два раствора различной концентрации.

Обратный осмос (гиперфильтрация) — непрерывный процесс молекулярного разделения растворов путем их фильтрования под давлением через полупроницаемые мембраны, задерживающие полностью или частично молекулы либо ионы растворенного вещества. При приложении давления выше осмотического (равновесного) осуществляется перенос растворителя в обратном направлении (от раствора к чистому растворителю через мембрану) и обеспечивается достаточная селективность очистки.

Ультрафильтрация — мембранный процесс разделения растворов, осмотическое давление которых мало. Этот метод используется при отделении сравнительно высокомолекулярных веществ, взвешенных частиц, коллоидов. Ультрафильтрация по сравнению с обратным осмосом — более высокопроизводительный процесс, поскольку высокая проницаемость мембран достигается при давлении 0,2—1 МПа.

Ниже приведена предпочтительная область применения физико-химических методов очистки сточных вод.

Мутность… Обработка флокулянтами Цветность, органические Хлорирование, озонирование, коагулирование, вещества, планктон… обработка флокулянтами Привкус, запах… Углевание, хлорирование, озонирование, преам;

монизация, обработка пермангана-том калия Избыток солей жесткости… Декарбонизация, известково-содовое умягчение, ионный обмен Наличие сероводорода… Подкисление, аэрация, хлорирование, коагулирование Повышенная кислотность… Подщелачивание Повышенная щелочность… Подкисление, фосфатирование Фенол… Обработка пераксидозой и перекисью водорода Нефтепродукты… Обработка химическими реагентами, коагуляция порошками Избыток железа… Аэрация, хлорирование, подщелачивание, коагулирование, обработка перманганатом калия, катионирование Биологические (биохимические) методы очистки считаются основными для обезвреживания сточных вод от органических примесей, которые окисляются микроорганизмами. В их основе лежит биологическое окисление, позволяющее очистить сточные воды от многих органических примесей. Процесс биологического окисления является природным, и характер его протекания одинаков для водоемов или очистных сооружений. Биологическое окисление реализуется посредством сообщества микроорганизмов (биоценозом), включающего множество различных бактерий, простейших и ряд более высокоорганизованных организмов-водорослей, грибов и т. д.

На практике широко распространены аэробные процессы, протекающие в естественных условиях (на полях орошения, фильтрации и в биологических прудах) и искусственных сооружениях (аэротенки и биофильтры). Анаэробные методы используют для обезвреживания высококонцентрированных сточных вод и осадков, образующихся при биохимической очистке. Анаэробные процессы брожения проходят без доступа кислорода с выделением различных газов (С0₂, NH₃, СН₄).

Всю совокупность сооружений по биологической очистке можно разделить на три группы, т. е. активная биомасса:

• • находится в воде в свободном (взвешенном) состоянии;
• • закреплена на неподвижном материале, а сточная вода тонким слоем скользит по материалу загрузки;
• • сочетание обоих вариантов расположения биомассы.

Первую группу сооружений составляют аэротенки, циркуляционные окислительные каналы, окситенки; вторую — биофильтры; третью — погружные биофильтры, биотенки, аэротенки с заполнителями.

Аэротенки — устройства, в которых происходит аэробная биологическая очистка больших количеств сточных вод и представляющие собой сооружения со свободно плавающим в объеме обрабатываемой воды активным илом, бионаселение которого использует загрязнения сточных вод для своей жизнедеятельности. Аэротенки позволяют регулировать скорость и эффективность биохимического процесса, что имеет важное значение при очистке производственных сточных вод нестабильного состава.

Непременным условием эффективности биологических процессов метаболизма в аэротенке является обеспечение их растворенным в воде кислородом, что достигается аэрацией и перемешиванием смеси воды и активного ила пневматическими, механическими или смешанного типа устройствами. Поэтому целью расчета аэротенков является определение не только их геометрических размеров, но и необходимого расхода подаваемого воздуха, биологической потребности в кислороде сточной воды, требуемой степени очистки и эффективности использования кислорода воздуха при окислении примесей сточных вод.

Пример расчета аэротенков.

Удельный расход воздуха D, подаваемого для окисления примесей, определяется по выражению.

где L_a — БПК₂о поступающей в аэротенк сточной воды, кг/м³; К — коэффициент использования воздуха. По действующим рекомендациям при подаче воздуха через пористые пластины К = 0,012 кг/м⁴, при подаче воздуха через перфорированные трубы К = 0,006 кг/м⁴; h — рабочая глубина аэротенка, принимаемая равной 4,0—5,2 м.

Продолжительность аэрации сточных вод в аэротенке определяется по выражению гдеJ = 0,422 м³/ (м²? с).

Необходимый для подачи в аэротенк суммарный расход воздуха Q_K определяется по выражению.

где Q — среднечасовой расход сточных вод в течение суток (при значении коэффициента неравномерности поступления сточных вод К_п < 1,25) или за время аэрации (при К_и > 1,25).

Площадь аэротенка F определяется по выражению.

при этом объем аэротенка V = F • h.

Длина секции аэротенка находится по выражению.

где b = (1-г2)/г — ширина секции аэротенка.

При большом расходе сточных вод для уменьшения длины аэротенка его выполняют многосекционным, располагая секции параллельно друг другу. Длина многосекционного аэротенка находится по выражению.

где п — число секций.

Полная высота аэротенка определяется из выражения Н = h + 0,8. Расход циркулирующего активного ила находят из условия Q_H = (0,3−4), 7)(2_В;

Биофильтрация основана на том, что биоразлагаемые органические вещества жидких отходов сорбируются и окисляются в аэробных условиях популяций гетеротрофных факультативных бактерий, образующих биологическую пленку на поверхности насадки (загрузочного материала, субстрата). Для орошения насадки вода с загрязнениями периодически или непрерывно подается в верхнюю часть сооружения через неподвижные разбрызгиватели (спринклеры) или реактивные вращающиеся водораспределители. Активная часть биопленки распространяется на глубину 70—100 мкм. В слоях пленки, прилегающих к насадке, создаются анаэробные условия, при которых образуются органические кислоты и газы (СН4 и H2S). Пропускная способность биофильтра определяется площадью поверхности, занятой биопленкой, и возможностью свободного доступа кислорода воздуха к ней. Чем больше площадь поверхности биопленки (при одинаковой массе) и чем легче к ней доступ кислорода, тем выше пропускная способность биофильтра.

Выбор метода очистки (или нескольких методов) производственных сточных вод производят с учетом санитарных и технологических требований, предъявляемых к очищенным производственным сточным водам с целью дальнейшего их использования на производстве, руководствуясь положениями Водного кодекса РФ.

Процесс очистки сточных вод производственного предприятия, как правило, включает несколько стадий, на каждой из которых возможно применение различных методов очистки сточных вод и соответствующего технологического оборудования. Это обусловлено в первую очередь тем, что многие методы, в особенности тонкой очистки сточных вод, нельзя использовать, если в них присутствуют взвешенные вещества и эмульсии.

Кроме этого, большинство методов очистки стоков имеет верхний предел концентраций по загрязняющим веществам, от которых данный метод должен очищать сточные воды. Следовательно, возникает необходимость предварительной обработки сточных вод перед применением основных методов их очистки. Использование стадийной очистки сточных вод промышленных предприятий обусловлено также тем, что комбинированием нескольких типов процессов обработки возможно достигнуть требуемой степени очистки с минимальными затратами.

На различных промышленных предприятиях используется различное количество стадий очистки воды. Это зависит от сложности очистных сооружений, применяемых методов очистки и состава сточных вод. Практика показывает, что рациональным является разделение процесса очистки сточных вод на четыре этапа в соответствии с разделением загрязняющих веществ на основе их агрегатного состояния.

На первом этапе (предварительная стадия) очистки сточных вод необходимо извлечь крупные частицы взвешенных веществ и грубодисперсных примесей, нейтрализовать токсины и удалить из сточных вод масла. Если данные загрязнения в сточных водах отсутствуют, следует начать очистку сточных вод со второго этапа (первичная стадия), на котором происходит извлечение практически всех механических примесей, а также проводится подготовка сточных вод к дальнейшей очистке, а именно — снижение агрессивности сточных вод, понижение сверхнормативных концентраций отдельных загрязняющих веществ. На третьем этапе (вторичная стадия) очистки сточных вод извлекают все загрязняющие вещества с определенным заданным уровнем. Если степень очистки недостаточна, требуется четвертый этап (глубокая очистка), на котором используются методы, позволяющие извлекать соединения, находящиеся в растворимом состоянии.

Применение конкретных способов очистки сточных вод либо их комбинирование на каждом этапе обработки определяется химическим составом и физическими свойствами сточных вод. В зависимости от наличия или отсутствия определенных классов загрязняющих веществ в сточных водах можно исключать некоторые стадии водоочистки. Нетрудно обнаружить, что вторая и третья стадии очистки являются неотъемлемой частью любой технологической схемы очистки сточных вод. Первая и вторая стадии обработки сточных вод — это основа любого технологического процесса очистки, причем первая стадия является предварительной обработкой, а последняя — глубокой очисткой сточной воды. Все стадии техпроцесса обработки сточных вод производственного предприятия представлены на рис. 6.8.

Предварительная стадия обработки сточных вод используется когда стоки промышленного предприятия содержат крупные частицы взвешенных веществ либо волокна (как в производстве керамических и силикатных материалов), а также нефтепродукты, требуется тщательная предварительная очистка сточных вод, включающая:

• • отстаивание сточных вод с использованием либо без него химических реагентов в зависимости от состава стоков;
• • фильтрацию через решетки или сетчатые фильтры;
• • подачу стоков на гравийные фильтры (грубая очистка);
• • коагуляцию (дозирование растворов солей железа либо алюминия);
• • извлечение из сточных вод вредных веществ специальными методами;
• • применение нефтеловушек для очистки сточных вод от нефти и масла.

Рис. 6.8. Стадии очистки сточных вод

При определенных условиях необходимо дозировать в сточную воду флокулянт для укрупнения взвешенных и коллоидных частиц и процесса хлопьеобразования.

Существует множество разнообразных способов первичной обработки стоков:

• • механическая первичная очистка сточных вод;
• • усиленная реагентно первичная обработка с низким дозированием химикатов;
• • первичная обработка взвешенных веществ;
• • физиологическая очистка сточных вод.

Цель первичной обработки сточных вод — прежде всего механическая очистка, а также значительное снижение количества загрязнений. Данный этап является неоднозначным. Используемые в нем методы могут сильно отличаться по принципу очистки сточных вод.

Вторичная стадия обработки сточных вод является основной, на которой происходит извлечение большинства загрязняющих веществ. При такой обработке наряду с физико-химическими методами нередко применяют процессы биологической деградации отходов. Использованных при вторичной обработке методов, как правило, бывает достаточно для очистки стоков. Тем не менее для достижения жестких требований ПДК иногда требуется глубокая очистка воды. На данном этапе применяются более эффективные физико-химические методы очистки и обессоливания воды, такие как технологии ионного обмена, нанофиль-трации и обратный осмос.