Методы очистки сточных вод и экологически чистые технологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Глава 1. Механические методы очистки сточных вод

1.1 Общие сведения о механической очистке сточных вод

1.2 Процеживание

1.3 Отстаивание

1.4 Фильтрование

Глава 2. Физико-химические методы очистки сточных вод

2.1 Коагуляция и коагулянты

2.2 Флокуляция и флокулянты

2.3 Технологические процессы с использованием коагулянтов и флокулянтов

2.4 Флотация

2.5 Методы ионного обмена и адсорбции

2.5.1 Теоретические представления о методах ионного обмена и адсорбции

2.5.2 Адсорбция на твердых сорбентах

2.5.3 Адсорбция активированными углями

2.5.4 Технологическое оформление процессов адсорбции

2.5.5 Теоретические основы метода ионного обмена

2.5.6 Применение ионитов

2.6 Экстракция

Глава 3. Методы биологической очистки сточных вод

3.1 Теория процессов биологической очистки стоков

3.2 Аэробная биологическая очистка

3.3 Анаэробная биологическая очистка

3.4 Схемы биохимической очистки

Глава 4. Электрохимические методы обработки и очистки сточных вод

4.1 Электролиз сточных вод

4.2 Электрокоагуляция

4.3 Электрофлотация

4.4 Электродиализ

Глава 5. Мембранные (баромембранные) методы

Глава 6. Термоокислительные методы очистки сточных вод

6.1 Теоретические положения термоокислительных методов очистки сточных вод

6.2 Огневой метод

6.3 Метод жидкофазного окисления

6.4 Метод парофазного каталитического окисления

Глава 7. Экологическая и технико-экономическая оценка систем водоотведения

Заключение

Список литературы

Приложения



Введение

В реках и других водоемах происходит естественный процесс самоочищения воды. Однако он протекает медленно. Пока промышленно-бытовые сбросы были невелики, реки сами справлялись с ними. В наш индустриальный век в связи с резким увеличением отходов водоемы уже не справляются со столь значительным загрязнением. Возникла необходимость обезвреживать, очищать сточные воды и утилизировать их.

Основные загрязнения сточных вод - физиологические выделения человека и животных, отходы и отбросы, получающиеся при мытье продуктов питания, посуды, помещений, стирке белья, а также образующиеся в технологических процессах на промышленных предприятиях. Бытовые и многие производственные воды содержат значительное количество органических веществ, которые могут загнивать, что очень опасно для людей, животных и рыб. Для поддержания санитарного благополучия необходимо удалять сточные воды с территории населенных пунктов, чтобы не загрязнять окружающую местность и водоемы.

Под очисткой сточных вод подразумевается их обработка различными методами с целью разрушения или извлечения содержащихся в них минеральных и органических веществ до степени, позволяющей сбрасывать эти воды в водоемы и водотоки или повторно использовать их для производственных и других целей. К очистке воды относятся также ее обезвреживание и обеззараживание, удаление вредных для человека, животных или растений веществ и устранение из воды болезнетворных микроорганизмов и вирусов.

Для очистки сточных вод предусматривается комплекс отдельных сооружений, в которых по ходу движения сточная вода постепенно очищается сначала от крупных, а затем от все более мелких загрязнений, находящихся в нерастворенном состоянии (Водоотведение и очистка сточных вод.., 1996). экологический очистка сточный

Для очистки сточных вод применяются следующие методы:

- механический (осуществляется на таких сооружениях, как решетки, песколовки, усреднители, отстойники различного назначения, гидроциклоны, нефтеловушки, жироловки, смолоулавливатели, фильтры разнообразных конструкций, центрифуги, жидкостные сепараторы);

- химический (используются реагенты, позволяющие нейтрализовать и окислить сточные воды, вывести некоторые компоненты в осадок);

- физико-химический (используются такие сооружения, как коагуляторы, флотаторы, экстракторы, сорбционные и ионообменные фильтры);

- электрохимический (электрофлотаторы, электрокоагуляторы, электролизеры различных конструкций, т. е. устройства, использующие для интенсификации химических и физико-химических процессов электрический ток);

- биологический (применяются аэротенки, метантенки, биофильтры, биопруды и другие сооружения, в которых очистка сточных вод осуществляется с помощью биологических процессов. В последнее время разработан ряд новых технологических процессов - мембранные способы, синтетические сорбенты, окислительные методы, применение чистого технического кислорода или обогащенного им воздуха, использование специфического биоценоза (Колесников, Лобачева, 2004).



Глава 1. Механические методы очистки сточных вод

1.1 Общие сведения о механической очистке сточных вод

В городских сточных водах содержится большое количество нерастворимых и малорастворимых веществ с размером частиц более 0,1 мкм, которые образуют с водой дисперсные системы-суспензии и эмульсии. Такие системы являются кинетически неустойчивыми и в определенных условиях способны разрушаться-выпадать в осадок или всплывать на поверхность воды.

Механическая очистка-это выделение из сточных вод находящихся в них нерастворимых грубодисперсных примесей, имеющих минеральную или органическую природу.

Механическую очистку сточных вод применяют преимущественно как предварительную. Механическая очистка обеспечивает удаление взвешенных веществ из бытовых сточных вод на 60-65%, а из некоторых производственных сточных вод на 90-95%. Задачи механической очистки заключаются в подготовке воды к физико-химической и биологической очисткам. Механическая очистка сточных вод является в известной степени самым дешевым методом их очистки, а поэтому всегда целесообразна наиболее глубокая очистка сточных вод механическими методами (А.Г. Гудков, 2003).

В настоящее время к очистке предъявляют большие требования. Это приводит к созданию высокоэффективных методов физико-химической очистки, интенсификации процессов биологической очистки, разработке технологических схем с сочетанием механических, физико-химических и биологических способов очистки и повторным использованием очищенных вод в технологических процессах.

Механическую очистку проводят для выделения из сточной воды находящихся в ней нерастворенных грубодисперсных примесей путем процеживания, отстаивания и фильтрования.

Для задержания крупных загрязнений и частично взвешенных веществ применяют процеживание воды через различные решетки и сита. Для выделения из сточной воды взвешенных веществ, имеющих большую или меньшую плотность по отношению к плотности воды, используют отстаивание. При этом тяжелые частицы оседают, а легкие всплывают.

Сооружения, в которых при отстаивании сточных вод выпадают тяжелые частицы, называются песколовками.

Сооружения, в которых при отстаивании загрязненных промышленных вод всплывают более легкие частицы, называются в зависимости от всплывающих веществ жироловками, маслоуловителями, нефтеловушками и др.

Фильтрование применяют для задержания более мелких частиц. В фильтрах для этих целей используют фильтровальные материалы в виде тканей (сеток), слоя зернистого материала или химических материалов, имеющих определенную пористость. При прохождении сточных вод через фильтрующий материал на его поверхности или в поровом пространстве задерживается выделенная из сточной воды взвесь.

Механическую очистку как самостоятельный метод применяют тогда, когда осветленная вода после этого способа очистки может быть использована в технологических процессах производства или спущена в водоемы без нарушения их экологического состояния. Во всех других случаях механическая очистка служит первой ступенью очистки сточных вод (Справочник по очистке природных и сточных вод…, 1994).



1.2 Процеживание

Процеживание - задержание наиболее крупных загрязнений и частично взвешенных веществ на решетках и ситах. Это один из простейших механических методов.

Решетки выполняют роль защитных сооружений для предварительного удаления крупных отходов, которые могут нарушить нормальный режим работы последующих агрегатов.

Основным элементом решеток является рама с рядом металлических стержней, расположенных параллельно друг другу и создающих плоскость с прозорами, через которую процеживается вода. Для устройства решеток применяются стержни прямоугольной, прямоугольной с закругленной частью, круглой и другой форм (приложение 1, рис. 3).

Стержни прямоугольной формы применяют чаще других. Толщина стержней обычно равна 6-10 мм, ширина прозоров между стержнями обычно принимается. Для решеток новых конструкций отечественного и зарубежного производства толщина стержней (пластин) составляет 3-10 мм, ширина прозоров 3-16 мм.

Скорость протока воды не должна превышать 1 м/с во избежание продавливания отходов. Решетки устанавливаются в расширенных каналах называемых камерами. Решетки подразделяют: с ручной (до 0,1 /сут снимаемых отходов) или механизированной очисткой; вертикальные или наклонные; совмещенные с дробилкой, подвижные и неподвижные (приложение 1, рис. 4).

Решетки очищаются граблями. При большом количестве улавливаемых отбросов (более 0,1/сут) их удаление и подъем из воды механизируется (приложение 1, рис. 5). Задержанные загрязнения подвергаются дроблению на специальных дробилках, а затем или сбрасываются в поток воды или транспортируются в метантенки на сбраживание.

Размер решеток определяется из условия обеспечения в прозорах решеток оптимальной скорости 0,8-1,0 м/с при максимальном расходе сточных вод. При большей скорости уловленные загрязнения «продавливаются» через решетки. При меньшей скорости в уширенной части канала перед решеткой начинают выпадать в осадок крупные фракции песка.

Исходя из общей ширины решеток, подбирается необходимое количество рабочих решеток, дополнительно устанавливают 1-2 резервные решетки и предусматривают обводной канал для пропуска воды в случае аварийного засора решеток.

Решетки размещают в отапливаемых и вентилируемых помещениях. В месте установки на дне камеры выполняется уступ, равный величине потерь напора в решетке (приложение 1, рис. 3). Между решетками для их обслуживания предусматривают проходы шириной не менее 1,2 м - для механических решеток и 0,7 м - для решеток с ручной очисткой.

Соответственно существуют марки решеток: МГТ (механизированные поворотные), МГ (механизированные грабли), РМН (решетки механизированные наклонные), РМУ (решетки механизированные универсальные), РМБ (механизированные вертикальные), РДГ (решетка дуговая гидравлическая), RS (решетка ступенчатая механическая фирмы «MEVA»), РД (решетки-дробилки).

Количество отбросов, задерживаемых на решетках - 16-50 л на 1000 воды, их влажность равна 80%, зольность 7-8%, плотность - около 750 кг/ Удельное количество задерживаемых отбросов зависит от ширины прозоров решеток (таблица 1).



Таблица 1. Зависимость удельного количества отбросов от ширины прозоров решетки

Ширина прозоров, мм	16-20	25-30	40-50	60-80	90-125
Удельное количество отбросов, л/(год*чел)	8	3	2,3	1,6	1,2

Для дробления отбросов, извлеченных из сточной воды, применяют молотковые дробилки, которые работают при подачи в них технической воды (после первичных или вторичных отстойников) из расчета 40 на 1 т отбросов.

Существуют конструкции решеток, совмещенные с дробилками - решетки-дробилки (комминуторы), в которых измельчение уловленных отбросов происходит под водой. Отечественная промышленность выпускает решетки-дробилки марки РД и круглые решетки-дробилки марки КРД.

Решетки-дробилки типа РД состоят из вращающегося щелевого барабана с режущими пластинами и резцами, неподвижного корпуса с трепальными гребнями и приводного механизма (приложение 1, рис. 6). Измельчение отбросов происходит при взаимодействии пластин и резцов с трепальными гребнями корпуса (Гудков, 2003).

При наличии в стоках волокнистых включений применяют ленточные или барабанные сита. Это обычно проволочное устройство (например из бронзы) или устройство в виде цилиндра, у которого поверхностью является сетка. Загрязнения удаляются водой или щетками (Василенко, Никифоров…, 2009).

1.3 Отстаивание

Отстаивание - выделение из сточных вод взвешенных веществ под действием силы тяжести на песколовках (для выделения минеральных примесей), отстойниках (для задержания более мелких оседающих и всплывающих примесей), а также нефтеловушках, масло- и смолоуловителях. Разновидностью этого метода является центробежное отстаивание, используемое в гидроциклонах и центрифугах.

При отстаивании происходит гравитационное разделение воды и взвешенных веществ, имеющих плотность больше (они опускаются на дно) или меньше (примеси всплывают) плотности воды.

Содержащиеся в сточной воде нерастворимые вещества (например, песок, шлак, стеклянная крошка и др.) крупностью 0,15-0,25 мм могут накапливаться в отстойниках, метантенках, снижая тем самым производительность этих сооружений. Осадок, содержащий песок, плохо транспортируется по трубопроводам.

Для предварительного выделения из сточных вод нерастворимых минеральных примесей (песка, шлака, боя стекла и др.) под действием силы тяжести применяются песколовки. Песколовки - это механические сооружения для задержания тяжелых минеральных и органических примесей при расходе стоков более 100 /сут. Они задерживают частицы размером более 0,15 мм или гидравлической крупностью более 13,2 мм/с. Количество песколовок или отделений должно быть не менее двух, причем все -рабочие.

По направлению движения воды песколовки подразделяются на горизонтальные, вертикальные (которые малоустойчивы и применяются редко) и с вращательным движением жидкости; последние подразделяются на тангенциальные и аэрируемые.

При объеме улавливаемого осадка до 0,1 /сут допускается удалять осадок вручную, при большом объеме выгрузка осадка механизируется.

Горизонтальные песколовки представляют собой удлиненные в плане сооружения с прямоугольным поперечным сечением (приложение 1, рис. 7). Важнейшими элементами песколовки являются: входной и выходной каналы; бункер для сброса осадка, располагаемый в начале песколовки. Кроме этого, в песколовке имеются механизм для перемещения осадка в бункер и гидроэлеватор для удаления песка. Механизмы применяются двух типов: цепные и тележечные. Цепные механизмы состоят из двух бесконечных цепей, расположенных по краям песколовки, с закрепленными на них скребками (приложение 1, рис. 7). Механизмы тележечного типа состоят из тележки, перемещаемой над песколовкой по рельсам вперед и назад, на которой подвешивается скребок.

Кроме механизмов, для перемещения осадка применяются гидромеханические системы, которые представляют собой смывные трубопроводы со спрысками, уложенными вдоль днища в лотках.

Разновидностью этого типа песколовок является песколовка с круговым движением жидкости. Она представляет собой круглый резервуар конической формы с периферийным лотком для протекания сточной воды (приложение 1, рис. 8). Весь улавливаемый осадок проваливается через щель в осадочную часть. Для выгрузки осадка достаточно гидроэлеватора.

Оптимальная скорость движения воды в горизонтальных песколовках 0,15-0,3 м/с, гидравлическая крупность задерживаемого песка 18-24 мм/с. Горизонтальные песколовки применяют при расходах стоков свыше 10000, а горизонтальные песколовки с круговым движением - до 70000.

Вертикальные песколовки используются в полураздельных системах и на станциях очистки поверхностных вод, поскольку они удобны для накопления большого количества осадка. Максимальный расход сточных вод для вертикальных песколовок составляет 10000 .

Песколовки имеют цилиндрическую форму с подводом воды по касательной с двух сторон, а отводом - кольцевым лотком (приложение 1, рис. 9).

Недостаток этих песколовок заключается в большой продолжительности пребывания воды в сооружении.

Расчет песколовок производится, исходя из условия, что скорость восходящего потока жидкости меньше гидравлической крупности песчинок улавливаемого песка. Гидравлическая крупность песка такая же, как у горизонтальных песколовок.

Тангенциальные песколовки имеют круглую в плане форму и касательный подвод воды, который обеспечивает винтообразное движение жидкости по касательной к стенкам песколовки (приложение 1, рис. 10). На периферии вода движется вниз, а в центре - вверх. Область применения тангенциальных песколовок - при расходах до 75000 .

Аэрируемые песколовки имеют удлиненную форму в плане и прямоугольное, полигональное или близкое к эллиптическому поперечное сечение (приложение 1, рис. 11).

Вдоль одной из стенок песколовки прокладывается аэратор из дырчатых труб на глубине 2/3 от общей глубины. Благодаря этому поток приобретает вращательное движение с перемещением его у днища от одной стенки к другой. Суммирование поступательного и вращательного движений приводит к винтовому движению воды вдоль песколовки. Продольная скорость составляет 0,05-0,10 м/с, вращательная скорость - 0,3 м/с. Аэрируемые песколовки используются при расходах свыше 20000.

К достоинствам этой песколовки относится устойчивость работы при изменениях расхода и хорошая отмывка песка от органики.

Аэрируемые песколовки одновременно могут использоваться для улавливания всплывающих загрязнений (жиров, нефтепродуктов, и др.). Для этого вдоль всей песколовки полупогружной перегородкой отделяется специальная зона для выделения и накопления всплывающих загрязнений (Гудков, 2003).

В песколовках скорость движения воды должна быть постоянной, независимо от колебаний притока стоков. В противном случае, если скорость будет увеличиваться, будут уноситься частицы с расчетной для осаждения гидравлической крупностью; если же скорость будет падать, то будут осаждаться легкие примеси органической природы. Постоянная скорость поддерживается устройством водосливов с широким порогом, изменением степени аэрации, использованием автоматизированного контроля за уровнем воды в подводящих каналах (Василенко, Никифоров…, 2009).

Количество песка, задерживаемое в песколовках, для бытовых сточных вод равно 0,02 л/(сут*чел), влажность песка составляет 60%, объемный вес - 1,5 т/

Откачка накопленного в бункерах песколовок осадка производится песковыми насосами, гидроэлеваторами, шнековыми подъемниками и реже эрлифтами. Откаченный песок (пескопульпа) имеет большую влажность - 98-99%, что вызывает необходимость его обезвоживания.

Для обезвоживания и подсушивания осадка на больших станциях очистки сточных вод предусматривают песковые площадки, представляющие собой карты с ограждающими валиками высотой 1-2 м, оборудованные шахтными водосбросами для отвода отстоявшейся воды (приложение 1, рис. 12). Удаляемая вода направляется в начало сооружений. Размеры площадок принимаются из условия нагрузки на них не более 3. Количество площадок не менее двух.

Более рациональный метод обработки осадка из песколовок - отмывка, обезвоживание и подсушка песка с последующим использованием его в строительстве. Для этого можно использовать специальные песковые бункеры (приложение 1, рис. 13), приспособленные для последующей погрузки песка в автотранспорт.

Такие бункера рассчитываются на 1,5 - 5 суточное хранение песка. Для повышения эффективности отмывки песка применяют напорные гидроциклоны диаметром 300 мм. Дренажная вода из бункеров и площадок возвращается в канал перед песколовками.

Область применения различных типов песколовок приведена в приложении 1, рис. 14; параметры различных типов песколовок приведены в приложение 1, табл. 8.

Отстаивание является самым простым, наименее трудоемким и дешевым методом выделения из сточной трубы грубодиспергированных примесей, плотность которых отличается от плотности воды. Под действием силы тяжести загрязнения оседают на дно или всплывают на поверхность.

Отстойные сооружения, используемые на очистных сооружениях канализации классифицируются:

- по характеру работы: подразделяются на периодического действия (контактные) и непрерывного действия (проточные);

- по технологической роли: делятся на первичные отстойники (для осветления сточной воды), вторичные отстойники (для отстаивания воды, прошедшей биологическую очистку) и третичные отстойники (для доочистки), илоуплотнители, осадкоуплотнители;

- по направлению движения потока воды: бывают вертикальные, горизонтальные, радиальные (разновидности: с центральным, периферийным и с радиальным подвижным впуском воды) и наклонные тонкослойные (в зависимости от схемы движения воды и осадка бывают прямоточными, противоточными и перекрестными);

- по способу обеспечения флокуляции взвешенных веществ: активная флокуляция (достигается путем аэрации, механического перемешивания или реагентной обработкой) и пассивная флокуляция (разновидности: в свободном объеме или контактной среде);

- по способу выгрузки осадка: сооружения со скребковыми механизмами, илососами и гидросмывом.

Первичные отстойники располагаются в технологической схеме непосредственно после песколовок и предназначены для выделения взвешенных веществ из сточной воды. Основной характеристикой работы первичных отстойников является эффективность осветления (отстаивания), которая определяется из выражения:

Э=100* (С1-С2)/С1, %

где С1-начальная концентрация взвешенных веществ в сточной воде; С2-допустимая концентрация взвешенных веществ в осветленной воде, принимаемая в соответствии с нормами или технологическими требованиями.

В большинстве случаев эффект осветления составляет 40-60%, что приводит к снижению БПК в осветленной сточной воде на 20-40%. Для станций полной биологической очистки концентрация взвешенных веществ в воде после первичных отстойников не должна превышать 150 мг/л во избежание повышенного прироста активного ила или биопленки (Гудков, 2003).

Отстаивание представляет собой разделение суспензий и эмульсий в поле гравитационных сил. Взвеси сточных вод, как правило, полидисперсны, поэтому скорости отстаивания частиц различны и изменяются в процессе отстаивания вследствие агрегации частиц. Отстаивание таких полидисперсных суспензий протекает в несколько стадий, которые можно наблюдать, если тщательно перемешать сточную воду и поместить ее в стеклянный цилиндр (рис. 1).

Рис.1. Кинематика расслаивания полидисперсных суспензий (Василенко, Никифоров…, 2009)

Вначале твердые частицы равномерно распределены в жидкости, но через короткий промежуток времени они начинают осаждаться, причем на дне сосуда оседает слой наиболее крупных твердых частиц - зона IV. Над осадком образуется слой сгущенной суспензии, в которой твердые частицы располагаются настолько тесно, что дальнейшее уплотнение слоя возможно только путем вытеснения жидкости из промежутков между частицами - зона стесненного осаждения III. Выше этой зоны расположена зона II - зона свободного осаждения, в которой частицы осаждаются свободно под действием силы тяжести. По мере отстаивания зоны I и IV возрастают, при этом происходит уплотнение осадка в зоне III. Отстаивание заканчивается, когда область II исчезает и завершается уплотнение сгущенной суспензии, что соответствует полному разделению ее на осадок и осветленную жидкость. Необходимо отметить, что в процессе непрерывного отстаивания в аппарате образуются те же зоны, но в отличие от периодического процесса эти области не изменяются по высоте.

Кинетика осаждения взвеси выражается обычно в виде графика зависимости эффекта осаждения (%) от продолжительности отстаивания сточной воды (рис. 2).

Рис. 2. График кинетической зависимости эффективности осаждения от времени (Василенко, Никифоров…, 2009)

Рассмотрение кинетики процесса отстаивания позволяет сделать следующие выводы:

- скорость отстаивания непостоянна и уменьшается с течением времени;

- лимитирующей стадией процесса является стадия стесненного осаждения (скорость уменьшения зоны III). Если при свободном осаждении частиц скорость седиментации зависит от вязкости воды и индивидуальных свойств каждой частицы, то в случае стесненного осаждения, скорость которого меньше скорости свободного осаждения, скорость седиментации зависит также от объемной концентрации взвеси.

Наиболее надежным установлением достоверной скорости осаждения взвешенных частиц является экспериментальное определение в лабораторных условиях, как это обычно и делается на практике. Однако нужно иметь в виду, что время, требуемое для осаждения взвешенных веществ, изменяется не прямо пропорционально отношению H/h (Н - высота отстойника, h - высота сосуда, в котором проводятся лабораторные опыты).

На результаты отстаивания взвесей сильное влияние оказывают: равномерность распределения и сбора воды в отстойниках; перепад температур, обусловленный колебаниями температуры воды в источнике водоснабжения; сужение сечения отстойников накопившимся осадком; наличие завихрений и водоворотов вокруг выступов и колонн.

Для осветления сточных вод широко применяют отстойники периодического и непрерывного действия. Отстойники периодического действия используют обычно при небольших расходах или периодическом поступлении сточных вод. Эти отстойники представляют собой металлические или железобетонные резервуары с коническим днищем. Размеры отстойника периодического действия определяются расходом сточных вод и кинетикой осаждения взвешенных частиц.

Отстойники непрерывного действия (вертикальные, горизонтальные, радиальные) применяют при больших расходах сточных вод. Такое подразделение связано не столько с геометрией конструкций отстойников, сколько с гидравлическим режимом их работы. Характер гидравлических режимов оказывает первостепенное влияние на процесс непрерывного отстаивания. Принципиальные схемы аппаратов разного типа отстойников приведены в приложении 1, рис. 15.

Из рассмотрения гидродинамических режимов, приведенных на рисунке, следует, что наиболее благоприятные условия для отстаивания создаются в аппаратах с горизонтальным движением потока воды. Вполне очевидно, что вертикальная составляющая в этом случае значительно меньше, чем та же составляющая в конструкциях с восходящим потоком воды. Вследствие этого эффективность осветления воды в вертикальном отстойнике обычно на 15-20% ниже, чем в горизонтальном или радиальном.

До недавнего времени вертикальные отстойники относились к числу наиболее распространенных сооружений. Сейчас они применяются, в основном, при очистке бытовых сточных вод, содержащих частицы больших размеров и с высоким удельным весом. Расчетная продолжительность отстаивания в них 1-2 часа; скорость потока воды (нагрузка на аппарат) не более 0,7 мм/с. Расчетную скорость потока принимают, исходя из наименьшей скорости осаждения частиц, на задержание которых рассчитывается отстойник; величина ее не должна превышать 0,5-0,75 скорости осаждения частиц.

Основной характеристикой степени гидравлического совершенства отстойника принято считать коэффициент его объемного использования (), равный отношению среднего фактического времени пребывания воды в отстойнике к расчетному. для вертикальных отстойников - 0,41; для горизонтальных и радиальных он становится равным 0,7-0,8.

Еще большее увеличение (0,85-0,90) может быть достигнуто улучшением гидравлических условий отстаивания: устройство продольных и поперечных (дырчатых) перегородок, отжимных щитов, водосливов, своевременным удалением осадка, рассредоточенным отбором отстоянной воды и другими инженерно-техническими мероприятиями (приложение 1, рис. 16).

Необходимо указать, что в практике очистки производственных сточных вод довольно часто отстаивание используют для одновременного осветления сточных вод как от грубодисперсных примесей, так и от коллоидно-растворенных веществ, предварительно скоагулированных. Скоагулированные частицы трудно отделяются отстаиванием вследствие малого удельного веса, аморфности, малой механической прочности хлопьев. Для определения таких частиц потребовались новые конструкции отстойников.

Важным шагом в усовершенствовании процесса отделения скоагулированной взвеси явилось внедрение тонкослойного отстаивания в наклонных каналах и трубах. Такое отстаивание наиболее эффективно при выделении скоагулированных частиц из слабоконцентрированных промышленных сточных вод.

Дело в том, что с уменьшением концентрации взвесей теряют свою определенность границы между зонами отстаивания II и III, а зона стесненного осаждения III (рис. 1) уменьшается по высоте.

Вместе с тем при уменьшении диаметра частиц и их удельного веса скорость стесненного осаждения становится практически равной скорости свободного осаждения. Таким образом, выделение тонких частиц с малым удельным весом определяется скоростью их свободного осаждения. Интенсифицировать этот процесс, как это и удается в тонкослойных отстойниках, можно уменьшением высоты слоя свободного осаждения.

Техническое воплощение этого принципа может быть проиллюстрировано на примере полочных отстойников горизонтального типа (приложение 1, рис. 17).

Недостатком такого отстойника является трудность удаления осадка, который приходится вымывать с полок после истечения определенного срока работы. Этот недостаток устраняется за счет создания конструкций наклонных трубчатых или пластинчатых отстойников.

Вместо полок используют трубки диаметром 2,5-5 см и длиной 60-100 см. Вода поступает в трубки, расположенные под углом 45- 60°, снизу вверх, а осадок сползает по дну трубок вниз и скапливается в шламовом пространстве. Непрерывное удаление осадка исключает необходимость промывки трубок.

За рубежом вместо трубок используют блоки стандартных размеров длиной около 3 м, шириной 0,75 м и высотой около 0,5 м. Размер трубчатого элемента в блоке (в его поперечном сечении) составляет 5х5 см.

Испытания установки производительностью около 500 показали, что при гидравлической нагрузке 2,4-7,2 /г на 1 входного сечения трубки содержание взвешенных веществ в воде снижалось с 1152-2604 до 4-40 мг/л. Осветление воды достигалось за 4-10 мин пребывания ее в отстойнике. В среднем время отстаивания в конструкциях подобного типа не превышает 15 мин.

В последние годы разработаны и внедряются новые конструкции вертикальных отстойников со встроенными тонкослойными блоками, интенсифицирующими процесс очистки на выходе сточных вод из аппарата.

Осветление в слое взвешенного осадка - это метод осветления воды путем пропускания ее через слой ранее выпавшего осадка со скоростью, обеспечивающей поддержание осадка во взвешенном (псевдоожиженном) состоянии. Он получил широкое распространение. В настоящее время этот метод рассматривается как коагуляционный, а механизм процесса очистки - как процесс массопередачи (адсорбции) мелких частиц из воды на поверхность осадка, то есть более крупных частиц. Вследствие протекания сопутствующих осветлению процессов коагуляции, сорбции, кристаллизации значительно интенсифицируется процесс выделения частиц из воды и повышается эффективность ее осветления.

Осветлители с взвешенным слоем (контактные осветлители) в последнее время широко используются для осветления сточных вод производств полистирола, вискозы, бумаги и др. Применение их позволяет, по сравнению с обычным отстойником, значительно повысить степень очистки воды при одновременном уменьшении строительного объема сооружений в 2 - 4 раза.

Использование осветлителей целесообразно для очистки сточных вод, содержащих грубодисперсные, мелкодисперсные и коллоидные частицы (то есть для систем с различной агрегативной устойчивостью), или, как уже отмечалось, сточных вод после обработки коагулянтами. Контактные осветлители обычно применяют при расходе воды более 5000/сут. Схема осветлителя с выносным осадкоуплотнителем приведена в приложении 1, рис. 18.

Частицы контактной фазы в осветлителе находятся в состоянии стесненного осаждения. Изменение скорости восходящего потока воды приводит к изменению концентрации частиц во взвешенном слое. Благодаря этому взвешенный слой может существовать в широком диапазоне скоростей восходящего потока.

В случае приближения скорости потока воды к скорости свободного осаждения частиц слой расплывается и частицы выносятся водой. Эта скорость является верхним пределом существования взвешенного слоя. Минимальная скорость потока воды, при которой не образуется взвешенного слоя, и частицы оседают на дно осветлителя, является нижним пределом существования взвешенного слоя.

Скорость восходящего потока воды в осветлителях обычно составляет 0,5-1,2 мм/с и в некоторых случаях достигает 1,8 мм/с. Концентрация твердых веществ во взвешенном слое от 2,0 до 10 г/л.

Для интенсификации процессов коагуляции частиц и агрегации взвесей в зоне контакта создают дополнительное перемешивание механическим и гидравлическим способами.

Помимо основных конструкций отстойников имеются многочисленные варианты песколовок, жироуловителей, смоло- и маслоотделителей, работающих по тем же принципам (Василенко, Никифоров…, 2009).

1.4 Фильтрование

Применяется для отделения от раствора нерастворимых примесей малых размеров и коллоидных соединений. Разделение производится с помощью перегородок, пропускающих жидкость и задерживающих дисперсную фазу.

Выбор перегородки зависит:

- от свойств сточной воды;

- от температуры сточной воды;

- от давления фильтрования;

- от конструкции аппарата

В качестве перегородок используются металлические перфорированные сетки, тканевые и зернистые перегородки.

Фильтры подразделяются по следующим признакам:

- по характеру протекания процесса (периодические или непрерывные);

- по виду процесса (для разделения, для сгущения или для очистки);

- по давлению при фильтровании (Под действием гидростатического давления столба жидкости, под повышенным давлением перед перегородкой, под вакуумом за перегородкой, по направлению фильтрования, по конструктивным особенностям) (Очистка и использование сточных вод.., 1983).

Метод фильтрования приобретает все большее значение в связи с повышением требований к качеству очищенной воды, необходимостью повторного использования сточных вод в технологических процессах, а также системах оборотного водоснабжения. Фильтрование является обычно завершающей стадией очистки сточных вод, прошедших сооружения механической, физико-химической и биологической очисток.

В зависимости от количества и характера примесей, а также расхода сточных вод и требований к осветленной воде применяют фильтры с зернистой загрузкой или с фильтровальной перегородкой (тонкостенные фильтры, где используются пленки, ткани, пористые материалы, сетки, порошки и т.д.).

При фильтровании через зернистую загрузку различают пленочное и объемное фильтрование. При пленочном фильтровании примеси задерживаются на поверхности материала, что характерно для тонкостенных и медленных зернистых фильтров. В объемном фильтровании примеси задерживаются внутри пор. По такому принципу работают все остальные типы фильтров.

Все зернистые фильтры подразделяются по нескольким признакам:

- по напору над фильтрующим материалом - открытые (гравитационные), работающие под атмосферным давлением, и напорные с избыточным давлением над фильтрующим слоем;

- по скорости фильтрации - медленные (0,1-0,2 м/ч), скорые (4-15 м/ч) и сверхскорые (> 25 м/ч). Медленные фильтры всегда открытого типа, скорые могут быть открытыми и закрытыми, сверхскорые - только напорные;

- по крупности зерен верхнего слоя - мелкозернистые (до 0,4 мм), среднезернистые (0,4-0,8 мм), грубозернистые (>0,8 мм);

- по количеству слоев загрузки - одно-, двух-, трех- и многослойные;

- по направлению движения воды - с нисходящим и восходящим потоком воды и двухпоточные с дренажом воды в середину аппарата.

Общее сопротивление системы складывается из сопротивления фильтрующей перегородки и сопротивления осадка.

При фильтровании малоконцентрированных суспензий, что имеет место при доочистке сточных вод, могут протекать следующие процессы:

1) отложение взвешенных веществ в порах зернистого фильтрующего слоя;

2) отложение взвешенных веществ в виде тонкого слоя на поверхности зернистого фильтрующего слоя.

В том и другом случаях по мере задержки все большего количества твердых частиц сопротивление фильтровальной перегородки быстро возрастает и скорость фильтрования уменьшается.

Современные представления о механизме фильтрации слабоконцентрированных суспензий через слой зернистого материала сводятся к следующему. Извлечение взвешенных частиц из воды и их закрепление на зернах фильтрующей нагрузки происходит под действием сил прилипания (молекулярные силы адгезии), которые проявляются на расстоянии 1 мкм от поверхности зерен. Интенсивность прилипания во много раз выше взаимного сцепления однородных частиц и зависит от площади поверхности зерен в единице объема, а также от заряда частиц суспензии и фильтрующего материала. По мере накопления осадка в порах зернистой нагрузки интенсивность прилипания взвеси к зернам каждого слоя загрузки уменьшается. Согласно теории фильтрации, разработанной Минцем, основной причиной, обусловливающей уменьшение интенсивности задержания взвеси, является разрушение и перенос хлопьев осадка в последующие слои загрузки. Таким образом, явления прилипания и отрыва частиц определяют ход процесса осветления воды.

Требования к конструкциям аппаратов:

- фильтрация должна идти в направлении убывающей крупности зерен загрузки для предотвращения образования трудноразрушаемых пленок на поверхности загрузки;

- необходима организация интенсивной промывки загрузки;

- фильтры должны обладать малой чувствительностью к колебаниям качества и расхода воды.

Требования к фильтрующим материалам:

- определенный гранулометрический состав;

- механическая прочность на истирание и измельчение;

- химическая стойкость к воде и ее примесям;

-доступность и малая стоимость;

- большая открытая пористость и удельная поверхность, определяющие грязеемкость фильтра.

Помимо широко применяемых материалов естественного происхождения (кварцевый песок, антрацит и керамзит, доменные и вулканические шлаки, гранит, пиролюзит, магнетит, аглопорит, шунгизит, ильменит) в фильтрах находят применение искусственные материалы (графит, капрон, полистирол, поливиниловая и полиамидная смолы, кокс и древесный уголь). Иногда материалы естественного происхождения подвергают специальной обработке (силиконом, смолами, окислами железа, полиэлектролитами). В табл. 2 приведены основные характеристики некоторых фильтрующих материалов естественного происхождения.

Таблица 2. Характеристики фильтрующих материалов (Василенко, Никифоров…, 2009)

Показатели	Речной песок	Дробленный шлак	Гранит, щебень	Горелая порода	Шунгизит
Пористость	36,5-44,5	39,4-54,0	46,4-54,3	44-48	56-58
Измельчаемость, % по массе	3,93	7,7	8,35	3	5,67
Истираемость, % по массе	0,7	2,22	6,88	0,5	0,017

В фильтрах с направлением потока сверху вниз дренаж защищен от попадания неочищенных вод. При соответствующем подборе крупности и высоты загрузки скорость фильтрации для фильтров с нисходящим потоком составляет 10-15 м/ч. Загрузка таких фильтров принимается однослойной или многослойной.

Однослойные фильтры с нисходящим потоком воды применяют в схемах с предварительной коагуляцией, позволяющей увеличить продолжительность фильтроцикла. Такие фильтры обычно устанавливают после отстойников или осветлителей (приложение 1, рис. 19). В ряде случаев применяется двухступенчатая очистка на грубозернистых, а затем на мелкозернистых фильтрах. Основные параметры однослойных фильтров приведены в табл. 3.

Таблица 3. Основные параметры однослойных фильтров (Василенко, Никифоров…, 2009)

Тип фильтра, применяемого для доочистки	Крупность загрузки, мм	Высота загрузки, мм	Скорость фильтрации, м/ч
После механической очистки: грубозернистый крупнозернистый среднезернистый мелкозернистый	2-3 1-2 0,8-1,6 0,4-1,2	2000 1500-2000 1000-1200 1000	10 7-10 5-7 5
После биологической очистки	1-2	1000-1500	5-7

В многослойных фильтрах наилучшим образом реализуется принцип фильтрации в направлении убывающей крупности загрузки. Грязеемкость многослойных фильтров в 2-3 раза больше грязеемкости однослойных фильтров. Применение их позволяет увеличить скорость фильтрации или удлинить продолжительность фильтроцикла.

Для очистки сточных вод применяют двухслойные или каркасно-засыпные фильтры. Конструкция двухслойного фильтра аналогична конструкции обычного фильтра (приложение 1, рис. 20). Загрузка двухслойного фильтра выполняется из песка (нижний слой) и антрацита или керамзита (верхний слой). Крупность песка 0,5-1,2 мм при высоте слоя 500 мм; крупность антрацита 0,8-1,8 мм при высоте слоя 300-500 мм; скорость фильтрации 8-10 м/ч.

Применение двухслойных фильтров для очистки сточных вод, содержащих волокнистые примеси и склеивающие вещества, нецелесообразно, поскольку при промывке фильтров неизбежен вынос легких фракций. Разновидностью многослойных фильтров является каркасно засыпной фильтр (КЗФ) (приложение 1, рис. 21).

В этом фильтре можно использовать дешевые фильтрующие материалы, что выгодно отличает его от других многослойных фильтров. Загрузка фильтра выполняется в виде каркаса из гравия или щебня и засыпки из мелкозернистого материала, который заполняет часть порового пространства каркаса. В качестве материала засыпки используют песок, антрацит, мраморную крошку, керамзит, гранулированный доменный шлак (табл. 4).



Таблица 4. Основные параметры каркасно-засыпных фильтров (Василенко, Никифоров…, 2009)

Вид загрузки фильтра, применяемого для доочистки	Крупность загрузки, мм	Высота загрузки, мм	Скорость фильтрации, м/ч
После механической очистки: гравий песок	40 0,6	1300 700	5,0-7,0 5,0-7,0
После биологической очистки: гравий песок	40-60 0,8-1,0	1800 900	10 10

Регенерация загрузки фильтров зависит от свойств очищаемой воды, материала загрузки и конструкции фильтра. Промывку можно осуществлять фильтратом или неочищенной сточной водой. Применение сжатого воздуха и совместной водо-воздушной промывки в ряде случаев обеспечивает хорошее качество отмывки. Однако иногда высокая интенсивность подачи промывной воды не обеспечивает качественной отмывки и приводит к выносу зерен загрузки из фильтра. В таких случаях необходимо применять такие меры, как поверхностную промывку, предварительное барботирование загрузки сжатым воздухом и др.

Наиболее удобны в отношении регенерации КЗФ.

Принцип регенерации загрузки КЗФ заключается в том, что мелкозернистая засыпка находится во взвешенном состоянии и перемещается в порах каркаса, зерна которого остаются неподвижными. При этом происходит отмывка самой засыпки и очистка поверхности зерен каркаса. Неподвижность каркаса во время промывки позволяет проводить промывку водой или водо-воздушной смесью без опасности смешения поддерживающих слоев. При водо-воздушной промывке интенсивность подачи воды 6-8 л/(с*), воздуха 8-10 л/(с*). Продолжительность промывки 10-12 мин, после чего в течение 3-4 мин фильтр промывают только водой с интенсивностью подачи 15 л/(с*).

Фильтры с восходящим потоком воды или контактные осветлители (КО) по эффективности своей работы аналогичны фильтрам с многослойной загрузкой, а по принципу - осветлителям с взвешенным слоем. Фильтрование проводится снизу вверх в сторону убывающей крупности загрузки. В контактных осветлителях в воду непосредственно перед поступлением ее в зернистый слой вводят коагулянт. Количество коагулянта должно обеспечивать снижение заряда коллоидных частиц до величины, соответствующей их коагуляции. Эта доза меньше той, которая необходима для получения крупных, хорошо оседающих хлопьев. Так же как и в осветлителях со взвешенным слоем, при прохождении воды через фильтрующую загрузку происходит контактная коагуляция тонкодиспергированных частиц. Разница лишь в том, что в осветлителях-отстойниках коагуляция протекает в зоне стесненного осаждения в контакте с агломератами взвесей, а в фильтрах-осветлителях - в зернистой загрузке в контакте с частицами загрузки. Создано несколько конструкций контактных осветлителей, например КО-1, КО-2, КО-3 (приложение 1, рис. 22).

Основным недостатком фильтров этого типа является вынос взвешенных частиц при больших скоростях потока воды в процессе фильтрования. Имеются трудности также при регенерации фильтров, связанные с уносом материала загрузки. В большей степени эти недостатки устранены в конструкции КО-3 (табл. 5) за счет увеличения высоты загрузки, а также водо-воздушной промывки с низким отводом промывной воды (рис. 22).



Таблица 5. Основные параметры фильтров с восходящим потоком воды (Василенко, Никифоров…, 2009)

Тип фильтра, применяемого для доочистки	Крупность загрузки, мм	Высота загрузки, мм	Скорость фильтрации, м/ч
При безреагентной очистке
После механической очистки: КО-2	0,5-2	1200	1200 5
После биологической очистки: КО-2 КО-3	1-2 1-2	1100 2000	5-7,5 10
При фильтрации с коагуляцией
После механиче-ской и биологиче- ской очистки: КО-2 КО-3	1-2 1-2	1100 2000	5-6 12

Аппараты с фильтровальными перегородками, или микрофильтры, применяют для осветления сточных вод, загрязненных частицами химических продуктов (например, волокон), активного ила и др. С этой целью чаще всего используют микрофильтры, фильтры Вако, Кинуле и др.

Микрофильтры представляют собой вращающиеся барабаны диаметром 1,5-3,0 м с сетками, имеющими размер 20-60 мкм. Барабан погружен в камеру-резервуар примерно на 2/3 диаметра. Вращается он на подшипниках, закрепленных на неподвижном пустотелом валу, по которому очищаемая вода поступает внутрь барабана.

Задержанные на внутренней поверхности рабочей сетки примеси смываются с нее непрерывно промывной водой под напором 5-20 м, распределяемой с помощью насадок, расположенных над вращающимся барабаном. Расход ее составляет - 3-5% производительности фильтра. Линейная скорость вращения сетки изменяется от 0,1 до 0,5 м/с. Скорость фильтрации колеблется от 20 до 90 м/ч в зависимости от характера задерживаемых примесей и их концентрации в сточной воде, а также от требуемой степени ее очистки. В большинстве случаев она принимается равной 20-25 м/ч.

Микрофильтры могут задерживать до 80% поступающих на них примесей. Эффективность фильтрования определяется рядом факторов, основными из которых являются физико-химические характеристики примесей, концентрация их в сточной воде, допустимое количество остаточных загрязнений в фильтрате. Микрофильтры не рекомендуется применять для осветления сточных вод после коагуляции гидроксидом алюминия вследствие недостаточной прочности хлопьев, разрушающихся на сетке микрофильтра. Они используются для очистки сточных вод бумажных фабрик, химических и целлюлозно-бумажных комбинатов, заводов искусственного волокна и др.

Микрофильтры с ячейкой рабочей сетки размером 40 мкм с успехом могут применяться в качестве второй ступени обработки (доочистки) прошедших биологическую очистку сточных вод химических заводов.

Для осветления оборотных и сточных вод целлюлозно-бумажных предприятий широкое распространение получили фильтры Вако, Кинуле, типа ЛГ, а также барабанные и дисковые вакуум-фильтры. Расчет фильтров и их описание здесь не приводятся, поскольку они даются в соответствующем курсе.

Режимы работы этих фильтров могу быть выбраны, исходя из размера частиц взвесей. В случае крупных размеров частиц фильтрование проводят с полным снятием осадка в самом процессе. В случае, если необходимо задерживать тонкие взвеси, фильтрование ведут со слоем осадка или наносят на движущуюся сетку вспомогательный фильтрующий слой. При этом сопротивление фильтра возрастает, что приводит к уменьшению скорости фильтрации.



Глава 2. Физико-химические методы очистки сточных вод

2.1 Коагуляция и коагулянты

Промышленные сточные воды многих производств представляют собой низкоконцентрированные эмульсии или суспензии, содержащие мелкодисперсные частицы размером от 0,1 до 10 мкм и более, а также коллоидные частицы (0,001-0,1 мкм). Применяемые типичные механические методы очистки позволяют обычно выделять частицы крупнее 50 мкм. Для очистки же от тонких дисперсий и коллоидов используют коагуляцию и флокуляцию, обусловливающие слипание частиц с образованием крупных агрегатов, которые уже затем легко удаляются механическими методами.

Наибольшее практическое значение для очистки воды имеет коагуляция, когда снижение (исчезновение) энергетического барьера, препятствующего слипанию частиц, происходит за счет повышения концентрации электролитов. Из строения двойного электрического слоя мицелл лиофобных коллоидов ясно, что коагулирующим действием обладают только те ионы, заряд которых противоположен заряду частиц, - так называемые коагулирующие ионы. Для золей с отрицательно заряженной поверхностью частиц коагулирующими являются катионы, для золей с положительно заряженными частицами - анионы.

Чтобы вызвать коагуляцию золя, необходимо превысить некоторую максимальную концентрацию ионов коагулянтов - порог коагуляции. Согласно правилу Шульца-Гарди, обоснованному теоретически Б.В. Дерягиным, коагулирующая сила иона тем больше, чем выше величина его заряда. По экспериментальным данным, собранным Овербеком, соотношение средних пороговых концентраций одно-, двух-, трех- и четырехзарядных анионов для золя Alсоставляет 1:0,012:0,0015:0,0010. Коагулирующая сила ионов одинаковой зарядности зависит от их радиуса и энергии гидратации.

Коагуляция наступает обычно не в изоэлектрической точке, а после снижения заряда частиц до некоторой критической величины. Причем адсорбция коагулирующих ионов не превышает к этому моменту половины предельной величины адсорбции.

В практике очистки питьевых и сточных вод в качестве коагулянтов обычно используют соли, содержащие многозарядные катионы, в основном соли алюминия, железа или их смеси в различных пропорциях. В редких случаях находят применение соли магния, кальция, цинка и титана. Выбор в качестве коагулянтов указанных солей обусловлен тем обстоятельством, что частицы взвесей в сточных водах несут на своей поверхности в большинстве случаев отрицательный заряд. В тех же случаях, когда частицы заряжены положительно, используют соли, содержащие многозарядные анионы: сульфат натрия или полифосфаты, ферроцианид или ферроцианид калия.

При введении в воду солей алюминия и железа в результате реакции гидролиза образуются малорастворимые в воде гидроксиды алюминия и железа.

Данные исследований показывают, что при обработке воды солями алюминия или железа помимо их гидроксидов образуются различные продукты - гидроксокомплексы (оксигидраты) и малорастворимые основные соли. При значениях рН, меньших оптимальных значений рН коагуляции, эти соединения относятся, как правило, к катионному типу, а при рН > рН оптимальных - к анионному. При значениях рН, близких к оптимальным, в воде присутствуют в основном Al и FeЗначение рН при оптимальных условиях коагуляции для Alсоставляет 5,6, а для Fe- 8,0. По мнению других авторов оптимальное значение рН зависит от состава и количества примесей в воде и колеблется в широких пределах (например, для Alот 4,0 до 8,0).

В процессе гидролиза солей алюминия и железа происходит снижение агрегативной устойчивости системы под действием электролита (введенной соли), сорбция ионов на поверхности частиц и образование в результате химической реакции нового соединения, обладающего гидрофобными свойствами.

...