Адсорбционные методы

Адсорбция - диффузионный процесс, в котором происходит взаимодействие между газом и поверхностью твердых тел. Адсорбционные методы используют для очистки газов с невысоким содержанием газообразных и парообразных примесей. Различают физическую и химическую адсорбцию (хемосорбцию).

В качестве адсорбентов используют пористые материалы синтетического и природного происхождения с высокоразвитой внутренней поверхностью:

активные угли;

селикагели - гидратированные аморфные кремнеземы (SiO2 .nH2O);

алюмогель - активный оксид алюминия (Al2O3 .nH2O), получаемый прокаливанием различных гидроксидов алюминия;

цеолиты - алюмосиликаты, содержащие в своем составе оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов;

иониты - высокомолекулярные соединения.

Регенерацию насыщенных адсорбентов осуществляют либо нагревом насыщенного адсорбента до температуры, превышающей рабочую, либо продувкой его паром или горячим газом.

Основные закономерности, протекающие при адсорбции газов, носят те же закономерности, что и для жидкости. Эти закономерности были рассмотрены ранее, поэтому в данной части на них останавливаться не будем.

Конструктивно адсорберы выполняются в виде вертикальных, горизонтальных либо кольцевых емкостей, заполненных пористым адсорбентом, через который фильтруется поток очищаемого газа. Фильтрация газа происходит через неподвижный (адсорберы периодического действия) или движущийся слой адсорбента. Наибольшее распространение получили адсорберы периодического действия, в которых период контактирования очищаемого газа с твердым адсорбентом чередуется с периодом регенерации адсорбента.

На рис. 43 представлена схема адсорбционной установки для удаления SO2 из горячего топочного газа. Основным агрегатом установки служит адсорбер 1, который заполнен древесным активированным углем. Горячий топочный газ проходит теплообменник 2, подогревает воздух, поступающий в топку, и подается в нижнюю часть адсорбера, где при температуре 150-200оС происходит улавливание сернистого газа. Очищенный дымовой газ выбрасывается в атмосферу через дымовую трубу. Адсорбент после насыщения переходит в десорбер 5, где с помощью подогревателя 3 поддерживается температура 300-600оС. Богатый оксидом серы газ выводится из десорбции и может быть направлен на получение серной кислоты каталитическим методом. Регенерированный адсорбент поступает в бункер 4 и затем с помощью ковшового элеватора поступает в верхнюю часть адсорбера.



Рис. 43. Адсорбционная установка для удаления оксида серы из горячего топочного газа:

1 - адсорбер; 2 - теплообменник; 3 - подогреватель; 4 - бункер; 5 - десорбер.

Методы каталитической очистки газов. Суть каталитических процессов газоочистки заключается в химическом преобразовании подлежащих обезвреживанию примесей в другие продукты в присутствии специальных катализаторов, роль которых сводится к увеличению скорости химических взаимодействий. Катализатор обеспечивает взаимодействие на его поверхности преобразуемых веществ, образование промежуточных поверхностных соединений катализатора и реагирующих веществ с последующим формированием продуктов катализа и восстановлением поверхности катализатора. В качестве катализаторов используют металлы платиновой группы (платина, палладий, рутений, родий) или более дешевые, но менее эффективные и стабильные в эксплуатации составы, включающие никель, хром, медь, цинк, ванадий, церий и другие элементы. Катализаторы обычно выполняются в виде шаров, колец или проволоки, свитой в спираль.

Существенное влияние на скорость и эффективность каталитического процесса оказывает температура газов. Для каждой реакции, протекающей в потоке газа, характерна, так называемая минимальная температура начала реакции, ниже которой катализатор не проявляет активности. Для поддержания необходимой температуры газа иногда к нему подмешивают продукты сгорания от вспомогательной горелки, работающей на каком-либо высококалорийном топливе.

На рис. 44 представлен каталитический реактор, предназначенный для окисления толуола, содержащегося в газовоздушных выбросах цехов окраски. Воздух, содержащий примеси толуола, подогревается в межтрубном пространстве теплообменника-рекуператора 1, откуда по переходным каналам он поступает в подогреватель 4. Продукты сгорания природного газа, сжигаемого в горелках 5, смешиваются с воздухом, повышая его температуру до 250- 350оС, то есть до уровня, обеспечивающего оптимальную скорость окисления толуола на поверхности катализатора. Процесс химического превращения происходит на поверхности катализатора 3, размещенного в контактном устройстве 2. В качестве катализатора применяют природную марганцевую руду (пирполюзит) в виде гранул размером 2-5 мм, промотированных азотнокислым палладием. В результате окисления окисления толуола образуются нетоксичные продукты: оксид углерода и водяные пары:

С7Н8 + 9 О2 = 7 СО2 + 4 Н2О.

Смесь воздуха и продуктов реакции при температуре 350-450оС направляется в рекуператор 1, где отдает тепло газовоздушному потоку, идущему на очистку, а затем через выходной патрубок выводится в атмосферу.

Очищенный газ

топливо газ

Рис. 44. Каталитический реактор:

1 - теплообменник-рекуператор; 2 - контактное устройство; 3 - катализатор; 4 - подогреватель; 5 - горелка.

В последние годы каталитические методы очистки нашли применение для нейтрализации выхлопных газов автомобилей. Для комплексной очистки выхлопных газов - окисления продуктов неполного сгорания и восстановления оксида азота - применяют двухступенчатый каталитический нейтрализатор (рис. 45). Установка состоит из последовательно соединенных восстановительного 2 и окислительного 4 катализаторов. Отработавшие газы через патрубок 1 поступают к восстановительному катализатору 2, на котором происходит нейтрализация окисдов азота:

NО + СО > Ѕ N2 + CO2,

NО + H2 > Ѕ N2 + H2O.

В качестве восстановительного катализатора применяют монельметалл (медноникелевый сплав) или катализатор из благородных металлов (платина на глиноземе).

После восстановительного катализатора к отработавшим газам для создания окислительной среды через патрубок 3 подводится вторичный воздух. На окислительном катализаторе происходит нейтрализация продуктов неполного сгорания - оксида углерода и углеводов:

СО + Ѕ O2 > CO2,

СхНу + (х + у/4) O2 > хCO2 + у/2H2O.

Для окислительных процессов применяют катализатор из благородных металлов или оксидов переходных металлов (медь, никель, хром и др). Содержание оксида углерода в выхлопных газах при этом уменьшается в 10 раз, а углеводов - в 8 раз.

Широкому применению каталитических нейтрализаторов препятствует использование этилированного бензина, который содержит определенное количество свинца. Свинец дезактивирует катализаторы в течение 100-200 ч.

Рис. 45. Двухступенчатый каталитический нейтрализатор:

1 - патрубок для ввода выхлопных газов; 2 - восстановительный катализатор; 3 - патрубок для ввода вторичного воздуха; 4 - окислительный катализатор.

Каталитические методы используются и при производстве серной кислоты для окисления сернистого газа до серного ангидрида. В качестве катализатора используется специальный ванадиевый катализатор. При этом сконцентрированный методами адсорбции сернистый газ пропускают через катализатор. Добавляют воду и получают серную кислоту:

2SO2 + 2H2O + O2 + ванадиевый катализатор = 2H2SO4

Термическая очистка газов

Большое развитие в отечественной практике нейтрализации вредных веществ, содержащихся в вентиляционных и других выбросах, получило высокотемпературное дожигание (термическая нейтрализация). Методы прямого сжигания применяют для обезвреживания газов от легко окисляемых токсичных, а также дурно пахнущих примесей, продукты сжигания которых менее токсичны, чем исходные вещества. Их преимуществом является простота используемой аппаратуры и универсальность использования - независимо от состава обрабатываемых газов.

Термическая очистка широко применяется в лакокрасочных производствах, процессах получения некоторых видов химической, электротехнической и электронной продукции, пищевой промышленности, окраске деталей и других процессах. Прямое сжигание используют, когда концентрация горючих веществ в отходящих газах не выходит за пределы воспламенения. Процесс проводят в топочных устройствах, промышленных печах и в открытых факелах. В некоторых случаях отходящие газы со значительным содержанием горючих компонентов могут быть использованы как топливо.

Глава 4. ЗАЩИТА ВОДНОГО БАССЕЙНА ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Лекция 13. Общие вопросы защиты водных объектов от загрязнения

Французский писатель Антуан де Сент-Экзюпери посвятил воде следующие строки «Вода! У тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя невозможно описать, тобою наслаждаются, не ведая, что ты такое. Нельзя сказать, что ты необходима для жизни, ты сама жизнь. Ты самое большое богатство на свете». Другой француз, Р. Дюбуа, сказал о ней «Жизнь - это одушевленная вода». Академик Вернадский В.И. же сказал «Жизнь - это особое царство природных вод».

Данным богатством мы наделены щедро. Но как использовать это богатство и как его защищать, как рационально использовать? Вроде бы зачем? Ведь «Вода, вода, кругом вода» Но какая вода? Земной шар содержит около 16 млрд км3 воды, что составляет 0,25% массы планеты. Но 13 млрд км3 рассредоточено и надежно законсервировано в глубинных слоях, составляющих мантию. Большая часть воды входит в состав горных пород и минералов, слагающих земную кору. 1,45 млрд км3 составляют гидросферу Земли. Из них 1,370 млрд км3 мировой океан, 60 млн км3 подземные минерализованные воды, 24 млн км3 ледники. Пресные же воды составляют только 28,5 млн км3 из них 24 млн км3 это ледники недоступные для человека. В озерах и водохранилищах зааккумулировано только 155 тыс. км3, в речных же водах содержится только 1,2 тыс. км3 воды. Если сюда добавить, что Евразия вообще-то обделена водными источниками (здесь на душу населения приходится 6 тыс. м3/год), то ясно, что воду нужно беречь и защищать. Правда, в России на душу населения приходится более 20 тыс. м3 /год воды. Но где она сосредоточена? В Байкале, да в Сибирских реках. Для сведения озеро Байкал вмещает 23 тыс. км3 воды - это 1/6 часть всей пресной воды планеты.

Ну а теперь от статистики перейдем к делу. Во-первых, что такое вода? Вода химическое соединение кислорода и водорода, существующее в жидком и газообразном состоянии. Водные ресурсы - это запасы поверхностных и подземных вод, находящиеся в водных объектах, которые используются или могут быть использованы. Водный объект - сосредоточение вод на поверхности суши в формах ее рельефа либо в недрах, имеющий границы, объем и черты водного режима. Водный режим - изменение во времени уровней, расходов и объемов воды в водных объектах.

Водные ресурсы нашей планеты образуют оболочку, называемую гидросферой. Все воды разделяются на природные и сточные.

Природные воды формируются под действием естественных процессов при отсутствии антропогенного воздействия и подразделяются на атмосферные, поверхностные и подземные.

Атмосферные осадки в виде дождей или растаявшего снега стекают по дневной поверхности суши, называемой водосбором, образуя поверхностные воды, а часть их инфильтрует в грунт и переходит в подземные воды.

Поверхностные воды представляют собой скопление воды на земной поверхности в виде водотоков, водоемов, морей и ледников

Водотоки - реки, каналы, ручьи.

Водоемы - озера, водохранилища, пруды.

Моря - окраинные, внутренние, территориальные.

Ледники - материковые, горные.

Различают 3 основных типа подземных вод: верховодка, грунтовые, артезианские.

Верховодка располагается в самой верхней части земной коры на небольших глубинах.

Грунтовые воды залегают на относительно небольших глубинах на первом от земной поверхности водоупорном слое, состоящем из водонепроницаемых пород.

Артезианские воды залегают на большой глубине в водоносных горизонтах, перекрытых сверху и снизу водоупорными слоями.

Скопление подземных вод представляют собой подземные водные объекты, которые разделяются на водоносные горизонты, месторождения и бассейны.

Вода используется в быту, промышленности, энергетике, сельском хозяйстве и в других видах деятельности человека. От вида целевого назначения воды ее применение подразделяется на водопользование и водопотребление.

При водопользовании вода, оставаясь в водоемах и водотоках, является средой или механическим источником энергии. Основные водопользователи являются: водный транспорт, лесосплав, рыбное хозяйство, гидроэнергетика

Водопотребление связано с забором воды из водоемов и водотоков. Круг водопотребителей очень широк: промышленность, сельское хозяйство, коммунально-бытовые организации, предприятия общественных производств, железнодорожный транспорт и т.д. Водопотребление от водопользования отличается не только безвозвратным изъятием части воды, но и загрязнением природных вод возвратными стоками.

Подсчитано, что если город потребляет в день 600 тыс. м3, то он дает около 500 тыс. м3 сточных вод. Сточные воды - это воды, отводимые после использования в бытовой и производственной деятельности человека. Водоотведение - технологический процесс, обеспечивающий прием сточных вод с последующей подачей их на очистные сооружения канализации. Сточные воды, как правило, несут на себе загрязнения и засорение.

Загрязнение поверхностных и подземных вод - это вызванные хозяйственной деятельностью изменения физических, химических и биологических свойств воды по сравнению с нормами качества воды в естественном состоянии

Засорение вод - это поступление в водоем посторонних нерастворимых в воде предметов, не изменяющих качество воды, но влияющих на качественное состояние русел водоемов и водотоков.

В зависимости от условий образования сточные воды делятся на бытовые, атмосферные, промышленные и сельскохозяйственные.

Загрязнения вод можно разделить на 4 группы, которые образуют с водой гетерогенные и гомогенные системы (таблица 12).

Таблица 12

Классификация примесей промышленных сточных вод по их фазовому и дисперсному состоянию

Группа	Размер частиц, м	Краткая характеристика
Гетерогенные системы
Взвеси	> 10-7	Суспензии и эмульсии, микроорганизмы и планктон. Обуславливают мутность воды
Коллоидные растворы	10-7 - 10-9	Золи и растворы высокомолекулярных соединений, обуславливающих окисляемость и цветность воды
Гомогенные системы
Молекулярные растворы	10-9 - 10-10	Растворенные газы, органические соединения, придающие воде запахи и вкусы
Ионные растворы	< 10-10	Соли, основания, кислоты, обуславливающие минерализованность, жесткость, щелочность и кислотность воды

Эта классификация позволяет определить способ очистки сточных вод.

Регулирование водопользования, водопотребления, охраны водных объектов в России осуществляется на основе принятого в 1995 году «Водного кодекса». Законодательство на этом кодексе не замыкается. В настоящее время на федеральном и региональном уровне разработано достаточно много законов, регулирующих водохозяйственную деятельность, в том числе с 1999 года за пользование водой из естественных источников введена плата за воду.

Но, за что платить? Ведь, то, за что мы платим, становится товаром. А товар должен обладать определенным качеством.

Качество воды - это характеристика состава и свойств воды, определяющая пригодность ее для конкретных видов водопользования. Критерий качества воды - признак, по которому производится оценка качества воды по видам водопользования.

Показатели качества воды.

Органолептические - определяются с помощью органов чувств человека (запах, вкус, цветность, мутность)

Физические - температура, вязкость, плотность, концентрация, электрическая проводимость и т.д.

Химические - активная реакция (рН), окисляемость, растворимость газов, сухой остаток, жесткость, концентрация химических веществ, и др. Сюда же можно отнести:

химическое потребление кислорода (ХПК), мг/л - количество кислорода, необходимое для химического окисления содержащихся в воде органических веществ (ХПК 20 мгО2 /л - чистая);

биологическую потребность в кислороде (БПК), мг/л - количество кислорода, необходимое для биологического разложения органики за определенный отрезок времени (1, 2, 5, 20 суток) (БПК - 2 мгО2/л - чистая).

Бактериологические показатели: коли-индекс - количество кишечных палочек в 1 л воды; колититр - количество миллилитров воды, в которых обнаружена 1 кишечная палочка.

Для хозяйственно-питьевого водоснабжения, культурно-бытовых нужд населения и рыбохозяйственных целей используются реки, водохранилища, озера, искусственные каналы. Пригодность состава и свойств поверхностных вод, используемых для этих целей, определяется соответствующими требованиями и нормативами, изложенными в «Правилах охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами». Согласно им в водные объекты запрещается сбрасывать сточные воды:

1) которые могут быть устранены путем усовершенствования технологий, максимального использования в системах оборотного водоснабжения или устройства бессточного производства;

2) содержащие ценные отходы, которые могут быть утилизированы на данном или других предприятиях;

3) содержащие производственное сырье, реагенты, полупродукты и конечные продукты производства в количествах, превышающих установленные нормативы технологических потерь;

4) содержащие вещества, на которые не установлены ПДК;

5) которые с учетом местных условий могут быть использованы для орошения в сельском хозяйстве при соблюдении санитарных требований

6) в виде кубовых остатков и технологических отходов.

Согласно «Правил …», все водные объекты подразделяются на 2 типа: 1) хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения, 2) используемые для рыбохозяйственных целей. В свою очередь первый тип подразделяется на две категории: 1) объекты, используемые для централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения и снабжения пищевых предприятий, 2) объекты, используемые для купания, спорта, отдыха и водоемы в черте населенных пунктов.

Второй тип водных объектов имеет тоже две категории: 1) объекты, используемые для сохранения и воспроизводства ценных видов рыб, обладающих высокой чувствительностью к кислороду, 2) объекты, используемые для всех других видов рыбохозяйственной деятельности. В России большинство водоемов и водотоков находятся в разряде рыбохозяйственных.

Для оценки санитарного состояния водной среды, как и для атмосферного воздуха, применяются показатели ПДК и ВДК, а также ПДС (предельно допустимый сброс). Причем необходимо отметить, что ПДК является основным условием очистки сточных вод.

Вторым видом типизации вод является классификация их по целевому назначению (рис. 46).

ВОДА

Хозяйственно-питьевая Техническая Поливная

Энергетическая Охлаждающая Технологическая

Подпиточная Оборотная Средообразующая Промывающая Реакционная

(добавочная)

Рис. 46. Классификация вод по целевому назначению

Как видно из схемы 46 вода расходуется на хозяйственно-питьевые цели, на полив и на технические цели.

А теперь о воде, которая используется в промышленности и на транспорте.

Воду, используемую в промышленности, подразделяют на охлаждающую, технологическую и энергетическую.

Энергетическая вода может находиться как в системе водопользования при получении электроэнергии на ГЭС, так и системе водопотребления. В системе водопотребления эта вода служит средой для подачи тепла в системах централизованного теплоснабжения. Извините за тавтологию.

Охлаждающая вода служит для охлаждения жидких и газообразных продуктов в теплообменных аппаратах. При этом она практически не соприкасается с минеральными потоками и не загрязняется, а лишь нагревается, служа в дальнейшем источником теплового загрязнения окружающей среды. В промышленности на нужды теплообмена расходуется 65-80% всего водопотребления. На крупных химических предприятиях потребление охлаждающей воды достигает 440 млн м3/год. Суммарное количество воды, заключенное в системах охлаждения на предприятиях химической отрасли, составляет 20 млрд м3/год.

Технологическую воду подразделяют на средообразующую, промывающую и реакционную.

Средообразующую воду используют для растворения и образования производственных суспензий (пульп), при обогащении и переработке руд, для нужд гидротранспорта и в пищевой промышленности.

Промывающая вода служит для промывки газообразных, жидких и твердых материалов, а также мытья машин и аппаратов. В железнодорожном транспорте на промывку используют до 30% всей используемой в системе МПС воды.

Реакционная вода служит для использования в качестве химического или физико-химического реагента.

Согласно требованиям «Водного кодекса», система водообеспечения промышленных предприятий должна быть, как правило, с оборотом воды для всего предприятия или в виде замкнутых циклов для отдельных цехов. При этом необходимо предусматривать очистку отработанной воды. Последовательная или прямоточная система подачи воды на производственные нужды со сбросом очищенных сточных вод в водоем допускается только при невозможности или нецелесообразности применения оборотного водоснабжения. Принципиальные схемы оборотного водоснабжения приведены на рис. 47.

П П П

ОХ НС ОС НС ОС НС

Добавочная

Добавочная Добавочная вода

вода вода ОХ

а б в

Рис. 47. Принципиальные технологические схемы оборотного водоснабжения:

а - с охлаждением воды; б - с очисткой воды; в - с очисткой и охлаждением воды: П - производство; НС - насосная станция; ОХ - охлаждение воды; ОС - очистка воды.

Таким образом, наиболее перспективный путь уменьшения потребления свежей воды, а значит и количества стоков - это создание оборотных систем водоснабжения. Использование оборотного водоснабжения позволяет в 10-50 раз уменьшить потребление свежей воды. В отдельных отраслях ее доля составляет в настоящее время 75-90%.

Лекция 14. Пассивные методы защиты гидросферы от загрязнения

Выше было сказано, что защита водной среды может осуществляться активными методами (которые непосредственно связаны с изменением в технологии производства) и пассивными, которые не вносят изменение в технологию, применяются лишь нейтрализация или ограничение вредного воздействия (это организация водоохранных зон и зон санитарной защиты питьевых источников, разбавление загрязняющих веществ при сбросе сточных вод в водные объекты).

Особенности канализования сточных вод

Канализацией сточных вод называется комплекс инженерных сооружений населенных пунктов и промышленных предприятий для сбора, очистки сточных вод и обработки их осадков.

При проектировании и эксплуатации систем канализации промышленных предприятий различают внутриплощадную и внеплощадную канализацию. К первой относится размещаемый на территории промышленной площадки комплекс канализационных сетей, сооружений, насосных станций и локальных установок по очистке цеховых сточных вод.

Канализационные сети и коллекторы, сооружения, насосные станции и очистные сооружения, расположенные за территорией промышленной площадки, относятся к внеплощадной канализации. Если производственные сточные воды направляются в канализационную сеть или непосредственно на очистные сооружения населенного пункта, то внеплощадная канализация ограничивается системой сетей, коллекторов и сооружений, обеспечивающих присоединение коллекторов промышленного предприятия к канализационной сети населенного пункта или к комплексу объединенных очистных сооружений.

Очистные сооружения канализации промышленных предприятий должны, как правило, размещаться на территории канализируемых предприятий. При выборе системы и схемы канализации промышленных предприятий необходимо учитывать:

1) требования к качеству воды, используемой в различных технологических процессах, и их количество;

2) количество, состав и свойства сточных вод отдельных производственных цехов и предприятия в целом, а также режимы водоотведения;

3) возможность сокращения количества загрязненных производственных сточных вод предприятия путем рационализации технологических процессов;

4) возможность повторного использования производственных сточных вод в системе оборотного водоснабжения или для технологических нужд другого производства, где допустимо применять воду более низкого качества;

5) целесообразность извлечения и использования ценных веществ, содержащихся в сточных водах;

6) возможность разделения производственных сточных вод для повторного использования незагрязненных в производстве и обработки загрязненных сточных вод;

7) возможность и целесообразность совместного канализования нескольких близко расположенных промышленных предприятий, а также возможность комплексного решения канализования промышленного предприятия и населенного пункта;

8) возможность использования в технологическом процессе очищенных бытовых сточных вод;

9) возможность и целесообразность использования производственных сточных вод для орошения сельскохозяйственных и технических культур;

10) целесообразность локальной очистки сточных вод отдельных производств и цехов;

11) самоочищающую способность водоема, условия спуска производственных сточных вод в него и необходимую степень очистки этих вод по лимитирующим показателям;

12) целесообразность применения каждого метода очистки.

При учете всех этих показателей, а также на основании технико-экономического расчета принимается оптимальных вариант систем канализации.

Канализирование промышленных предприятий, как правило, осуществляется по полной раздельной системе.

Производственные сточные воды в зависимости от вида загрязняющих веществ и их концентрации, а также количества сточных вод и мест их образования отводятся несколькими самостоятельными потоками:

1) слабозагрязненные, содержащие один или несколько видов загрязнений;

2) содержащие токсичные и ядовитые вещества;

3) кислые;

4) щелочные;

5) сильноминерализованные;

6)содержащие масла и жиры, волокно, ПАВ и т.д.

Незагрязненные сточные воды, как правило, объединяют в отдельный поток.

Бытовые сточные воды, образующиеся на промышленном предприятии, отводятся и очищаются отдельно, если производственные сточные воды по своему составу не требуют биологической очистки. Совместное отведение бытовых и производственных сточных вод целесообразно, если последние загрязнены органическими веществами, деструкция которых возможна биологическим путем. При этом концентрация токсичных примесей не должна превышать предельно допустимую.

Дождевые воды, стекающие с незагрязненной территории промышленного предприятия, отводятся отдельной системой канализации или объединяются с незагрязненными производственными сточными водами и спускаются в водоем без очистки. Дождевые воды, стекающие с площадок для складирования сырья, жидкого и твердого топлива, масел, красителей и т.п., отводятся вместе с загрязненными производственными сточными водами и подлежат совместной очистке перед выпуском в водоем.

Целесообразность разделения или объединения отдельных потоков сточных вод при проектировании систем канализации промышленного предприятия является одним из актуальных вопросов, от правильности решения которого зависят сметная стоимость строительства и затраты на эксплуатацию очистных сооружений, надежность охраны водоемов от загрязнения и рентабельность основного производства.

При снижении расходов сточные воды, поступающие на очистные сооружения, практически всегда имеют повышенное количество загрязнений, поскольку при неизменном технологическом процессе общее их количество в сточных водах остается постоянным. Это обстоятельство может осложнить работу очистных сооружений, особенно при биологическом методе очистки сточных вод. Для уменьшения концентрации загрязнений целесообразно предусматривать частичное удаление их на локальных очистных установках, а также возможность последующей утилизации.

При строительстве новых и реконструкции действующих промышленных предприятий большое значение имеет разработка систем оборотного водоснабжения вместо прямоточных.

Наиболее широко применяются системы оборотного водоснабжения при наличии сточных вод, имеющих лишь термальное загрязнение. В этом случае эти воды проходят через охладительные сооружения (градирни, брызгальные бассейны, пруды) и вновь подаются на производство.

Значительная экономия воды и снижение потерь ценных продуктов достигается в результате замены водяного охлаждения воздушным. Применение аппаратов воздушного охлаждения на нефтеперерабатывающих заводах позволяет уменьшить расход воды на производственные нужды в 3-5 раз.

Одним из путей утилизации производственных сточных вод является использование их в сельском хозяйстве для нужд орошения. Наиболее пригодными для этих целей являются сточные воды некоторых производств пищевой, химической и легкой промышленности. На железной дороге целесообразно изучить возможность применения для орошения сточных вод после промывки вагонов, перевозивших минеральные удобрения, цистерны азотной кислоты и другие подобные сточные воды, содержащие биогенные элементы.

Весьма перспективными для орошения сельскохозяйственных культур являются сточные воды крахмальных заводов. Меньшей удобрительной ценностью обладают сточные воды сахарных заводов и хлебозаводов.

Условия выпуска производственных сточных вод в городскую канализацию

При расположении промышленных предприятий в городах или вблизи их, а также при решении о совместной очистке сточных вод группы предприятий промышленной зоны и близлежащего жилого массива загрязненные производственные сточные воды могут сбрасываться в городскую канализацию. Очистка смеси бытовых и производственных сточных вод в этом случае осуществляется на единых очистных сооружениях. В связи с тем, что в сточных водах промышленных предприятий могут содержаться специфические загрязнения, их спуск в городскую канализацию ограничен комплексом требований. Выпускаемые в канализацию производственные сточные воды не должны:

- нарушать работу сетей и сооружений;

- содержать более 500 мг/л взвешенных и всплывающих веществ;

- содержать вещества, которые способны засорять трубы канализационных сетей или отлагаться на стенках труб;

- оказывать разрушающее действие на материал труб и элементы сооружений канализации;

- содержать горючие примеси и растворенные газообразные вещества, способные образовывать взрывоопасные примеси в канализационных сетях и сооружениях;

- содержать вредные вещества в концентрациях, препятствующих биологической очистке сточных вод или сбросу их в водоемы (с учетом эффективности очистки);

- иметь температуру выше 40оС.

Производственные сточные воды, не удовлетворяющие указанным требованиям, должны подвергаться предварительной очистке. Степень этой очистки должна быть согласована с Водоканалом и Комитетом по охране природы.

Объединение сточных вод, способных вступать в химические реакции с выделением ядовитых или взрывоопасных газов и образовывать эмульсии, а также имеющих большое количество нерастворенных веществ, не допускается. Запрещаются залповые сбросы сильноконцентрированных производственных сточных вод. При значительных колебаниях их состава в течение суток необходимо предусматривать емкости-усреднители, обеспечивающие равномерный выпуск воды.

Для обеспечения нормальной работы очистных сооружений городской канализации при совместной очистке производственных и бытовых сточных вод необходимо соблюдать ряд условий. Очищаемая смесь сточных вод в любое время суток не должна иметь:

- температуру ниже 6 и выше 30оС;

- активную реакцию рН ниже 6,5 и выше 8,5;

- общую концентрацию растворенных солей более 10 г/л;

- БПК более 500 мг/л при поступлении на биологические фильтры и аэротенки и более 1000 мг/л при поступлении в аэротенки с рассредоточенной подачей сточной воды;

- нерастворимых масел, а также смол и мазута;

- биологически жестких синтетических ПАВ практически не окисляющихся на сооружениях биологической очистки;

- концентрацию вредных веществ более, чем указана в таблицах 13 и 14.

Таблица 13

Величины БПК, ХПК и допустимых концентраций (ДК) вредных веществ в чистых растворах при очистке сточных вод в аэротенках-смесителях

Вещество	БПК	ХПК	ДК, мг/л	Средняя скорость окисления, мг БПК на 1 г сухого вещества активного ила в 1 ч
	Мг/мг вещества
Анилин	1,9	2,4	100	9
Ацетальдегид	1,07	1,82	750	12
Ацетон	1,68	2,17	600	28
Бензойная кислота	1,61	1,97	150	14
Бутанол	1,8	2,58	600	15
Глицерин	0,86	1,23	1150	30
Капролактам	1,8	2,12	300	22
Кротоновый альдегид	1,6	2,5	400	5,5
Метанол	1,05	1,5	950	23
Пропанол	1,68	2,4	600	18
Резорцин	1,5	1,89	500	12,2
Толуол	1,1	1,87	200	8
Уксусная кислота	0,86	1,06	200	26
Уксусно-этиловый эфир	1,49	1,8	500	20
Фенол	1,18	2,38	1000	14
Этанол	1,45	2,08	700	19
2-этилгексанол	1,55	2,95	400	100

Таблица 14

Допустимые концентрации (ДК) вредных веществ в сточных водах при биологической очистке

Вещество	ДК, мг/л	Эффективность удаления,%	Вещество	ДК, мг/л	Эффективность удаления, %
Кадмий	0,1	60	ПАВ биологически мягкие (окисляющиеся на сооружениях биологической очистки): анионные	20	80
Кобальт	1	50
Красители: сернистые, синтетические	25 25	90 70
Медь	0,5	80	неионогенные	50	90
Мышьяк	0,1	50	ПАВ промежуточные: анионные неионогенные	20 20	60 75
Нефть и нефтепродукты	25	90	Сульфиды	1	99
Никель	0,5	50	Формальдегид	25	80
Ртуть	0,005	-	Хром (трехвалентный)	2,5	80
Свинец	0,1	50	Цианиды	1,5	-
			Цинк	1	70

Дополнительным условием должно быть следующее. При совместной биологической очистке производственных и бытовых сточных вод ХПК не должно превышать БПК более чем в 1,5 раза. Минимальное содержание биогенных элементов в смеси определяется из соотношения 100:5:1 (БПК:аммонийных азот:фосфор). Если это соотношение не выдержавается, то перед сооружениями биологической очистки в сточные воды необходимо вводить дополнительное количество биогенных элементов в виде растворов аммиачной воды, фосфорнокислого калия и др.

Расчет предельно допустимого сброса

Если очищенные воды сбрасываются в окружающую среду, то необходимая степень их очистки определяется нормативами ПДК, ПДС и экологическими требованиями, в первую очередь требованиями ПДС.

При расчете предельно допустимого сброса необходимо знать следующие значения:

- коэффициент неровности дна водотока или водоема (з) (для ровного дна з = 1);

- коэффициент неровности берегов (ц);

- предельно допустимые концентрации вредных примесей (КПДК, мг/л);

- среднюю скорость течения воды в водоеме или водотоке (vср, м/с):

- среднюю глубину водоема (Нср, м);

- расход воды в водоеме или водотоке (Q, м3/с);

- расход сточных вод (q, м3/с);

- содержание вредных веществ в воде водоема до выпуска сточных вод (К1, мг/л).

Расчет ПДС начинается с определения:

коэффициента турбулентности по формуле:

; (74)

коэффициента, учитывающего влияние гидравлических факторов смешения сточных вод:

; (75)

и коэффициента смешения сточных вод с водой водоема:

; (76)

Допустимую концентрацию вредного вещества в сточной воде с учетом ее смешения с водой водоема определяют по формуле:

, мг/л; (77)

а предельно допустимый сброс - по формуле:

ПДС = Кд . q , г/с. (78)

Установление водоохранных зон и прибрежных защитных полос

Водоохраной зоной согласно «Методических указаний по проектированиию водоохранных зон водных объектов и их прибрежных защитных полос» (утвержден приказом МПР 21.08.98 № 198) является территория, примыкающая к акваториям рек, озер и других поверхностных водных объектов, на которой устанавливается специальный режим хозяйственной и иных видов деятельности с целью предотвращения загрязнения, засорения, заиления и истощения водных объектов, а также сохранения среды обитания объектов животного и растительного мира.

Соблюдение специального режима на территории водоохранных зон является составной частью комплекса природоохранных мер по улучшению гидрологического, гидрохимического, гидробиологического, санитарного и экологического состояния водных объектов и благоустройству их прибрежных территорий.

Размеры и границы водоохранных зон, а также режим их использования устанавливаются проектом на основании результатов обследования водных объектов и прилегающих к ним территорий, физико-географических, почвенных, гидрологических и других условий с учетом прогноза изменения береговой линии водных объектов, а также с учетом принятых нормативов, которые указаны ниже.

Проектом должно предусматриваться установление и нанесение на планово-топографические материалы границ водоохранных зон, составление экспликации земель и перечня хозяйственных и других объектов, расположенных на этой территории.

Ширина водоохранных зон и прибрежных защитных полос устанавливается:

- для рек, стариц и озер - от среднемноголетнего уреза воды в летний период;

- для водохранилищ - от уреза воды при нормальном подпорном уровне;

- для морей - от максимального уровня прилива;

- для болот - от их границы (нулевой глубины торфяной залежи);

- для болот в истоках рек, а также других болот, формирующих сток в водосборном бассейне, водоохранные зоны устанавливаются на прилегающих к ним территориях.

Минимальная ширина водоохранных зон рек устанавливается в зависимости от их протяженности с плавным увеличением ширины зоны от истока к устью. На участка: до 10 км - 50 м, от 10 до 50 км - 100 м, от 50 до 100 км - 200 м, от 100 до 200 км - 300 м, от 200 до 500 км - 400 м, от 500 км и более - 500 м.

Для истоков рек и родников минимальная ширина водоохраной зоны устанавливается не менее 50 м.

Минимальная ширина водоохранных зон:

- для озер и водохранилищ принимается при площади акватории до 2 км2 - 300 м, от 2 км2 и более - 500 м;

- для болот площадью до 2 км2 - 300 м, более 2 км2 - 500 м;

- для морей - 500 м.

Размеры и границы водоохранных зон на территории городов и других поселений устанавливаются исходя из конкретных условий застройки в соответствии с утвержденным генеральным планом.

В пределах водоохранных зон запрещается:

- проведение авиационно-химических работ;

- применение химических средств борьбы с вредителями, болезнями растений и сорняками;

- использование навозных стоков для удобрения почв;

- размещение складов ядохимикатов, минеральных удобрений и горюче-смазочных материалов, площадок для заправки аппаратуры ядохимикатами, животноводческих комплексов и ферм, мест складирования и захоронения промышленных, бытовых и сельскохозяйственных отходов, кладбищ и скотомогильников, накопителей сточных вод;

- складирование навоза и мусора;

- заправка топливом, мойка и ремонт автомобилей, тракторов и других машин и механизмов;

- размещение дачных и садово-огородных участков при ширине водоохранных зон менее 100 м и крутизне склонов, прилегающих территорий, более 3о;

- размещение стоянок транспортных средств, в том числе на территориях дачных и садово-огородных участков;

- проведение рубок деревьев главного пользования;

- проведение без согласования с органами МПР строительства и реконструкции зданий, сооружений, коммуникаций и других объектов, а также работ по добыче полезных ископаемых, землеройных и других работ;

- при совпадении водоохранных зон и зон санитарной охраны следует руководствоваться требованиями Санитарных норм и правил «Зоны санитарной охраны источников водоснабжения и водопроводов хозяйственно-питьевого назначения» (СанПиН 2.1.4.027-95).

Прибрежной защитной полосой является часть водоохраной зоны, территория которой непосредственно примыкает к водному объекту.

В пределах прибрежных защитных полос в дополнении к ограничениям, вводимым для водоохранных зон, запрещается:

- систематическая распашка земель;

- применение удобрений;

- складирование отвалов размываемых грунтов;

- выпас и организация летних лагерей скота (кроме использования традиционных мест водопоя), устройство купочных ванн;

- установка и устройство сезонных стационарных палаточных городков;

- размещение дачных и садово-огородных участков;

- выделение участков под индивидуальное жилищное, дачное и другое строительство;

- прокладка проездов и дорог (кроме прогонов и традиционных мест водопоя скота);

- движение автомобилей, тракторов и механизмов, кроме техники специального назначения.

Прибрежные полосы, как правило, должны быть заняты лесокустарниковой растительностью или залужены.

Максимальная ширина прибрежных полос водных объектов устанавливается в зависимости от топографических условий и видов угодий (таблица 15).

Ширина прибрежных защитных полос для участков водоемов, имеющих особо ценное рыбохозяйственное значение устанавливаются не менее 100 м, независимо от уклона и характера прилегающих земель.

Таблица 15

Минимальная ширина прибрежных защитных полос

Виды угодий, прилегающих к водному объекту	Ширина прибрежной защитной полосы (м) при крутизне склонов прилегающих территорий:
	обратный и нулевой уклон	уклон до 3о	уклон более 3о
Пашня	15-30	35-55	55-100
Луга, сенокосы	15-25	25-35	35-50
Лес, кустарник	35	35-50	55-100

Для морей и горных рек ширина прибрежных защитных полос определяется в каждом конкретном случае с учетом порядка, установленного для водоохранных зон и прибрежных защитных полос.

В городах и населенных пунктах при наличии ливневой канализации и набережной границу прибрежных полос допускается совмещать с парапетом набережной.

Запрещение по размещению стоянок транспортных средств относится к организации коллективных стоянок личных и государственных машин, не запрещая стоянку одиночных машин личного пользования.

Лекция 15. Механические методы очистки сточных вод

Классификация сточных вод

Требования к качеству очищенных вод диктуется условиями их дальнейшего применения. Если они возвращаются в производственный цикл, то степень их очистки определяется технологическими требованиями самого производства (например, для производства радиодеталей, печатных плат, спиртных напитков, пива, хороших газированных вод и т.д. требуется очистка природных вод, т.к. они для этого считаются грязными). Если же очищенные воды сбрасываются в окружающую среду, то необходимая степень их очистки определяется нормативами ПДК, ПДС и экологическими требованиями.

Выбор методов очистки зависит от состава сточных вод. Загрязнители сточных вод делятся на физические, биологические и химические. В свою очередь химические загрязнители делятся на:

биологически нестойкие органические соединения;

малотоксичные неорганические соли;

нефтепродукты;

биогенные соединения;

вещества со специфическими токсичными свойствами, в том числе тяжелые металлы и биологически жесткие неразлагающиеся органические вещества.

Очистка сточных вод осуществляется: механическими, физико-химическими, химическими и биологическими методами.

Механическая (физическая) очистка сточных вод

Механическая очистка применяется для выделения из сточной воды нерастворенных минеральных и органических примесей. Назначение механической очистки в основном заключается в подготовке производственных сточных вод к биологической, физико-химической и другой более тонкой очистке. Как правило, механическая очистка обеспечивает выделение взвешенных веществ из вод до 90-95% и снижение органических загрязнений на 20-25%.

Продукт, который получается при удалении взвешенных веществ из сточных вод, называется осадок.

Основные методы удаления взвешенных веществ: процеживание, отстаивание, фильтрация, центрифугирование.

Процеживание. Основными аппаратами для процеживания являются решетки. Решетки устанавливают на очистных станциях при поступлении на них сточных вод самотеком. Не применять решетки на очистных станциях допускается в случае подачи вод насосами с установленными перед ними решетками с прозорами 16 мм или менее. Решетки делятся:

с ручной или механизированной выгрузкой осадка

вертикальные и наклонные

решетки-дробилки

Здесь необходимо отметить, что решетки ставятся для извлечения из сточных вод крупных частиц размером более 10 мм. Все более мелкие частицы движутся со сточной водой на предварительное отстаивание.

Отстаивание

Метод отстаивания подразделяется на 2 группы:

осветление в поле гравитационных сил

осветление в поле центробежных сил.

Для осветления в поле гравитационных сил используют песколовки и отстойники.

Песколовки. Задерживают 40-50% взвешенных веществ с определенной гидравлической крупностью. Но здесь возникло новое понятие как гидравлическая крупность. Ею называется скорость оседания взвешенных частиц в поле гравитационных сил. Измеряется в мм/сек и определяется по формуле:

U = H/ф(H/h)n, (79)

где Н - глубина проточной части отстойника;

ф - продолжительность отстаивания частиц в цилиндре с высотой столба воды h = 500 мм при температуре 20 С;

n - показатель степени, определяемый по специальным таблицам. Он еще называется коэффициентом гравитационной коагуляции. При обычных условиях без добавки коагулянтов он изменяется от 0,5 до 2. При использовании коагулянтов он равен 0,35-0,75.

Исходя из этих показателей, можно рассчитать рабочую продолжительность протока сточной воды:

t1 = H(U - w) , (80)

где w - вертикальная составляющая турбулентного потока.

Расчетная длина сооружения определяется по формуле:

L = t v , (81)

где v - скорость потока.

Песколовки подразделяются на:

1) вертикальные; 2) горизонтальные с прямолинейным или круговым движением воды; 3) аэрируемые; 4) тангенциальные.

Вертикальные песколовки (рис. 48) состоят из входной трубы 1, перегородки 2 для изменения направления движения очищаемой воды, шламосборника 3 и выходной трубы 5. В шламосборнике предусмотрено отверстие 4 для удаления шлама. Вертикальные песколовки имеют линейную скорость 0,03-0,04 м/сек, продолжительность пребывания потока в рабочей зоне 2-2,5 мин, а гидравлическая крупность - до 25 мм/сек.

Рис. 48. Схема вертикальной песколовки:

1 - входная труба; 2 - перегородка; 3 - шламосборник; 4 - отверстие для удаления шлама; 5 - выходная труба.

Широкое применение находят горизонтальные песколовки с прямолинейным движением воды, в состав которой входят подводящая труба, выпускной коллектор и приямок. Горизонтальные песколовки работают на больших скоростях 0,15-0,3 м/сек, продолжительность пребывания в рабочей зоне около 1 мин.

Для разделения механических загрязнений по фракционному составу или по плотности применяют аэрируемые песколовки (рис. 49), в состав которых входят входная труба 2, воздуховод, воздухораспределители 3, выходная труба 4, шламосборник 5 с отверстием 6 для удаления шлама. Крупные фракции осаждаются, как и в горизонтальных песколовках. Мелкие же частицы, обволакиваются пузырьками воздуха, всплывают наверх и с помощью скребковых механизмов удаляются с поверхности. Длина таких песколовок:

L = vH/(U - w) . (82)

Аэрируемые песколовки применяются для выделения, содержащихся в сточной воде минеральных частиц гидравлической крупностью 13-18 мм/сек. Скорость движения сточных вод составляет 0,08-0,12 м/сек.

Рис. 49. Схема аэрируемой песколовки:

1 - входная труба; 2 - воздуховод; 3 - воздухораспределители; 4 - выходная труба; 5 - шламосборник; 6 - отверстие для удаления шлама.

Отстойники. Как правило, в отстойниках отделяются частицы меньших размеров, чем в песколовках, что определяет большее разнообразие отстойников перед песколовками. Некоторые из конструкций этих аппаратов показаны на рис.45. Все аппараты отстойники делятся на 2 типа: периодического и непрерывного действия.

Типы аппаратов отстойников непрерывного действия:

1) вертикальные, 2) горизонтальные, 3) радиальные.

Горизонтальные отстойники (рис. 50, а) представляют собой удлиненные и прямоугольные резервуары с глубиной 1,5-4,0 м с приямком для сбора осадка. Длина таких отстойников равна 8-12 м, а ширина коридора - 3-6 м. Такую же конструкцию имеют и горизонтальные песколовки, рассмотренные выше. Осадок сдвигают в приямок с помощью скребкового механизма. Горизонтальная скорость движения воды в отстойнике не выше 0,01 м/с. Это обеспечивает достижение заданной степени отстаивания за 1-3 ч.

...