Очистка сточных вод

45

Содержание

1. Введение

2. Основная часть

2.1 Определение сточных вод

2.2 Главные загрязнители сточных вод

2.3 Методы очистки сточных вод

2.4 Системы водоотведения

2.5 Требования к качеству сточных вод

3. Вывод

4. Список используемой литературы

1. Введение

Загрязнённые промышленными или бытовыми сбросами воды рано или поздно попадают в почву или природные водоёмы. Природные системы самоочистки не способны уже перерабатывать загрязнения в таких объёмах и в таком составе, которые характерны для современных промышленных, сельскохозяйственных и других стоков. В результате во многих случаях, когда не было принято своевременных мер по очистке стоков, многие природные водоёмы превратились в своеобразные сточные канавы или отстойники - накопители вредных веществ. Водные экосистемы, отравленные избыточными сбросами, лишались растений и животных, способных очищать воду, и нужны были значительные затраты, чтобы попытаться их восстановить.

Проблема очистки сточных вод возникла давно. Рост городов, концентрация и рост числа промышленных предприятий заставили многие европейские страны ещё в XVIII - XIX веках принять некоторые специальные законы и правила охраны вод, подчас весьма строгие. Например, в России требовалось, чтобы в выходных прудах очистных сооружений текстильных фабрик жила рыба. При отсутствии точных и чувствительных методов химического анализа такой естественный биологический индикатор чистоты воды был достаточно надёжен.

Бурный рост промышленности с конца XIX века и по наши дни, искажённые политические и экономические приоритеты, в ряде стран потеря или недостаток культуры производства привели к тому, что к середине нашего века проблема чистоты вод стала одной из жизненно важных для людей и вошла в число глобальных экологических проблем. В борьбе за сокращение вредных сбросов очень важным направлением стала разработка и введение новых, непрерывно совершенствующихся технологий очистки, типов и конструкций очистных сооружений.

Каждое предприятие или цех имеет, как правило, сравнительно небольшой набор вредных веществ, сбрасываемых со сточными водами. Наиболее эффективна очистка стоков от этих примесей в специализированных очистных сооружениях того же цеха. Только глубоко очищенные сточные воды можно сбрасывать в городскую канализацию, которая собирает все стоки на городские очистные сооружения.

Сточная вода является благоприятной средой для развития разнообразных микроорганизмов, в том числе и патогенных, являющихся возбудителями и распространителями инфекционных заболеваний. Загрязняя окружающую среду, сточные воды одновременно создают условия для возникновения различных болезней человека и эпидемий. Кроме того, в сточных водах могут содержаться токсичные вещества (кислоты, щелочи, соли и др.), способные вызвать отравление живых организмов и гибель растений. Сточные воды должны удаляться из населённых пунктов, городов и промышленных предприятий. Перед сбросом в водоёмы их следует подвергать очистке, в противном случае поверхностные водоёмы и подземные источники воды окажутся загрязнёнными и использование их для водоснабжения и хозяйственно-бытовых целей будет невозможно.

Цель работы:

Показать и раскрыть методы очистки сточных вод.

Задачи:

1. Определение сточных вод.

2. Главные загрязнители сточных вод.

3. Методы очистки сточных вод.

4. Системы водоотведения.

5. Требования к качеству сточных вод.

2. Основная часть

2.1 Определение сточных вод

Сточные воды - это воды, использованные на бытовые, производственные или другие нужды и загрязнённые различными примесями, изменившими их первоначальный химический состав и физические свойства, а также воды, стекающие с территории населённых пунктов и промышленных предприятий в результате выпадения атмосферных осадков или поливки улиц.

Сточные воды характеризуются следующими признаками:

· мутность воды - определяется с помощью мутномера: исследуемую воду сравнивают с эталонным раствором, который приготовлен из каолина (или из инфузорной земли) на дистиллированной воде, выражается в мг/л;

· цветность воды - определяется сравнением интенсивности окраски испытуемой воды со стандартной шкалой. Выражается в градусах цветности. В качестве стандартного раствора применяют раствор солей кобальта;

· сухой остаток - масса солей и веществ, которые остаются после выпаривания воды (мг/л);

· кислотность - измеряется в единицах рН. Природная вода обычно имеет щелочную реакцию (рН › 7);

· жёсткость - зависит от содержания солей СаІЇ и MgІЇ. Различают три вида жёсткости воды: общая, обусловленная содержанием солей кальция и магния независимо от содержания анионов; постоянная, обусловленная содержанием ионов Cl? и SO4ІЇ после кипячения в течение 1ч (она не удаляется); устранимая (временная) - устраняется кипячением. Жёсткость измеряется в мг-экв/л солей магния и кальция (1мг-экв соответствует 28 мг СаО) и в градусах (1? - количество солей кальция и магния, соответствующее 10 мг СаО в 1 л воды). 1? жёсткости = 10 мг-экв = 2,8? жёсткости;

· растворимый кислород - зависит от температуры воды и барометрического давления, измеряется в мг/л;

· биологическая потребность в кислороде (БПК) - количество кислорода, поглощаемое микроорганизмами в сточных водах. За критерии оценки БПК принята величина уменьшения количества растворённого кислорода в воде в течение 5 или 20 суток при температуре 20?С.

В зависимости от происхождения вида и состава сточные воды подразделяются на три основные категории: бытовые, производственные, атмосферные.

Бытовые сточные воды (от туалетных комнат, душевых, кухонь, бань, прачечных, столовых, больниц; они поступают от жилых и общественных зданий, а также от бытовых помещений) образуются в результате практической деятельности и жизнедеятельности людей.

Производственные сточные воды образуются в процессе производства различных товаров, изделий, продуктов, материалов и пр. К ним относятся отработавшие технологические растворы, маточники, кубовые остатки, технологические и промывные воды, воды барометрических конденсаторов, вакуум насосов и охлаждающих систем; шахтные и карьерные воды; воды химводоочистки, воды от мытья оборудования и производственных помещений, а также от очистки и охлаждения газообразных отходов, очистки твёрдых отходов и их транспортировки.

Состав производственных сточных вод зависит от характера производственного процесса и отмечается большим многообразием. В зависимости от состава примесей и специфичности их действия на водные объекты сточные воды могут быть разделены на следующие группы:

1) Воды, содержащие неорганические примеси со специфичными токсичными свойствами. Сюда входят стоки металлургии, гальванических цехов, предприятия машиностроительной, рудо- и угледобывающей промышленности, заводы по производству кислот, строительных изделий и материалов, минеральных удобрений и другие. Они могут вызвать изменение рН воды водоёмов. Соли тяжёлых металлов являются токсичными по отношению к водным организмам.

2) Воды, в которых неорганические примеси не обладают токсичным действием. К этой группе относятся сточные воды рудообогатительных фабрик, цементных заводов и других. Примеси такого типа находятся во взвешенном состоянии. Для водоёмов особой опасности эти воды не представляют.

3) Воды, содержащие нетоксичные органические вещества. Сюда входят сточные воды в основном предприятий пищевой промышленности (мясной, рыбной, молочной), целлюлозно-бумажной, микробиологической, химической промышленности, заводы по производству каучука, пластмасс и другие. При попадании их в водоём возрастает окисляемость, БПК, снижается концентрация растворённого кислорода.

4) Воды, содержащие органические вещества со специфическими токсичными свойствами. К этой группе относятся сточные воды нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, текстильной, лёгкой, фармацевтической промышленности, заводы по производству сахара, консервов, продуктов органического синтеза и другие.

Атмосферные сточные воды образуются в процессе выпадения дождей и таяния снега, как на жилой территории населённых пунктов, так и территории промышленных предприятий, АЗС и др. Часто эти воды называют дождевыми или ливневыми, вследствие того, что в большинстве случаев максимальные (расчётные) расходы образуются в результате выпадения ливней (дождей).

В практике используются также понятие городские сточные воды, которые представляют с собой смесь бытовых и производственных сточных вод.

2.2 Главные загрязнители сточных вод

Сточные воды представляют собой сложные гетерогенные смеси, содержащие примеси, которые находятся в нерастворённом, коллоидном и растворённом состоянии.

Загрязнение вод проявляется в изменении физических и органолептических свойств (нарушение прозрачности, окраски, запахов, вкуса), увеличение содержания сульфатов, хлоридов, нитратов, токсичных тяжёлых металлов, сокращении растворённого в воде кислорода воздуха, проявлении радиоактивных элементов, болезнетворных бактерий и других загрязнителей.

Различают химические, биологические и физические загрязнители. Среди химических загрязнителей к наиболее распространённым относят нефть и нефтепродукты, СПАВ. Очень опасны биологические загрязнители, например вирусы и другие болезнетворные микроорганизмы, и физические - радиоактивные вещества, тепло и др.

Таблица 1. Главные загрязнители воды

Химические загрязнители	Биологические загрязнители	Физические загрязнители
Кислоты Щелочи Соли Нефть и нефтепродукты Пестициды Диоксиды Тяжёлые металлы Фенолы Аммонийный и нитритный азот СПАВ	Вирусы Бактерии Другие болезнетворные организмы Водоросли Лигнины Дрожжевые и плесневые грибки	Радиоактивные элементы Взвешенные твёрдые частицы Тепло Органолептические (цвет, запах) Шлам Песок Ил Глина

Основные виды загрязнения вод. Наиболее часто встречается химическое и бактериальное загрязнение. Значительно реже наблюдается радиоактивное, механическое и тепловое загрязнение.

Химическое загрязнение - наиболее распространённое, стойкое и далеко распространяющееся. Оно может быть органическим (фенолы, нафтеновые кислоты, пестициды и др.) и неорганическим (соли, кислоты, щелочи), токсичным (мышьяк, соединения ртути, свинца и др.) и нетоксичным. при осаждении на дно водоёмов или при фильтрации в пласте вредные химические вещества сорбируются частицами пород, окисляются и восстанавливаются, выпадают в осадок и т.д., однако, как правило, полного самоочищения загрязнённых вод не происходит. Очаги химического загрязнения подземных вод в сильно проницаемых грунтах может распространяться до 10 км и более.

Бактериальное загрязнение выражается в появлении в воде патогенных бактерий, вирусов (до 700 видов), простейших, грибов и др. Этот вид загрязнений носит временный характер.

Весьма опасно содержание в воде, даже при очень малых концентрациях, радиоактивных веществ, вызывающих радиоактивное загрязнение. Наиболее вредные «долгоживущие» радиоактивные элементы, обладающие повышенной способностью к передвижению в воде (стронций-90, уран, радий-226, цезий и др.). Радиоактивные элементы попадают в поверхностные водоёмы при сбрасывании в них радиоактивных отходов, захоронении отходов на дне и др.

Механическое загрязнение характеризуется попаданием в воду различных механических примесей (песок, шлам, ил и др.). Механические примеси могут значительно ухудшать органолептические показатели вод.

Применительно к поверхностным водам выделяют ещё их загрязнение (а точнее, засорение) твёрдыми отходами (мусором), остатками лесосплава, промышленными и бытовыми отходами, которые ухудшают качество вод, отрицательно влияют на условия обитания рыб, состояние экосистем.

Тепловое загрязнение связано с повышением температуры вод в результате их смешивания с более нагретыми поверхностными или технологическими водами. При повышении температуры происходит изменение газового и химического состава в водах, что ведёт к размножению анаэробных бактерий, росту гидробионтов и выделению ядовитых газов - сероводорода, метана. Одновременно происходит «цветение» воды, а также ускоренное развитие микрофлоры и микрофауны, что способствует развитию других видов загрязнения. По существующим санитарным нормам температура водоёма не должна повышать более чем на 3°С летом и 5°С зимой, а тепловая нагрузка на водоём не должна превышать 12 - 17 кДж/мі.

Промышленные сточные воды загрязняют экосистемы самыми разнообразными компонентами (табл.2), в зависимости от специфики отраслей промышленности.

Таблица 2. Приоритетные загрязнители водных экосистем по отраслям промышленности

Отрасль промышленности	Преобладающий вид загрязняющих компонентов
Нефтегазодобыча, нефтепереработка	Нефтепродукты, СПАВ, фенолы, аммонийные соли, сульфиды
Целлюлозно-бумажный комплекс, лесная промышленность	Сульфаты, органические вещества, лигнины, смолистые и жирные вещества, азот
Машиностроение, металлообработка, металлургия	Тяжёлые металлы, взвешенные вещества, хлориды, цианиды, аммонийный азот, нефтепродукты, фенолы, смолы
Химическая промышленность	Фенолы, нефтепродукты, СПАВ, ароматические углеводороды, неорганика
Горнодобывающая, угольная	Флотореагенты, неорганика, фенолы, взвешенные вещества
Лёгкая, текстильная, пищевая	СПАВ, нефтепродукты, органические красители, другие органические вещества

Коммунально-бытовые сточные воды в больших количествах поступают их жилых и общественных зданий, прачечных, столовых, больниц и т.д. В сточных водах этого типа преобладают различные органические вещества, а также микроорганизмы, что может вызвать бактериальное загрязнение.

Огромное количество таких опасных загрязняющих веществ, как пестициды, аммонийный и нитратный азот, фосфор, калий и др., смываются с сельскохозяйственных территорий, включая площади, занимаемые животноводческими комплексами. По большей части они попадают в водоёмы и в водотоки без какой-либо очистки, и поэтому имеют высокую концентрацию органического вещества, биогенных элементов и других загрязнений.

В атмосферных водах наблюдается высокая концентрация кварцевого песка, глинистых частиц, мусора и нефтепродуктов, смываемых с улиц города. Загрязнение территории промышленных предприятий приводит к появлению в ливневых водах примесей, характерных для данного производства.

2.3 Методы очистки сточных вод

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

Очистка сточных вод - обработка сточных вод с целью разрушения или удаления из них вредных веществ. Освобождение сточных вод от загрязнения - сложное производство. В нём, как и в любом другом производстве имеется сырьё (сточные воды) и готовая продукция (очищенная вода).

Чистые сточные воды - это воды, которые в процессе участия в технологии производства практически не загрязняются и сброс которых без очистки не вызывает нарушений нормативов качества воды водного объекта.

Загрязнённые сточные воды - это воды, которые в процессе использования загрязняются различными компонентами и сбрасываются без очистки, а также сточные воды, проходящие очистку, степень которой ниже норм, установленных местными органами Государственного комитета РФ по охране окружающей среды. Сброс этих вод вызывает нарушение нормативов качества воды в водном объекте.

Методы очистки сточных вод можно разделить на механические, химические, физико-химические и биологические. В процессе очистки сточных вод образуются осадки, которые подвергаются обезвреживанию, обеззараживанию, обезвоживанию, сушке, возможна последующая утилизация осадков. Если по условиям сброса сточных вод в водоём, требуется более высокая степень очистки, то после сооружений полной биологической очистки сточных вод устраивают сооружения глубокой очистки.

В соответствии с «Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами» сточные воды после очистки перед сбросом в водоём подвергают обеззараживанию с целью уничтожения патогенных микроорганизмов.

Сооружения механической очистки сточных вод предназначены для задержания нерастворённых примесей. К ним относятся решётки, сита, песколовки, отстойники и фильтры различных конструкций.

Сооружения механической очистки сточных вод являются предварительной стадией перед биологической очисткой.

Химические методы очистки обеспечивают удаление из воды, как правило, растворённых веществ, неподдающихся или плохо поддающихся биологической очистке, а также веществ, которые могут оказать неблагоприятное воздействие на коллекторы или другие элементы систем водоотведения.

Физико-химические методы очистки городских сточных вод с учётом технико-экономических показателей используют весьма редко. Эти методы в основном применяются для очистки производственных сточных вод.

К методам физико-химической очистки производственных сточных вод относятся: реагентная очистка, сорбция, экстракция, эвапорация, дегазация, ионный обмен, озонирование, электрофлотация, хлорирование, электродиализ и др.

Биологические методы очистки сточных вод основаны на жизнедеятельности микроорганизмов, которые минерализуют растворённые органические соединения, являющиеся для микроорганизмов источниками питания.

Глубокая очистка сточных вод может потребоваться, если в сточной воде после полной биологической очистки перед сбросом в водоём необходимо снизить концентрацию взвешенных веществ, величину показателей БПК, ХПК и др.

При глубокой очистке сточных вод, главным образом от взвешенных веществ, используются фильтры различных конструкций. Для глубокой очистки от растворённых органических веществ применяют сорбционные, биосорбционные, озонаторные и другие установки. Глубокая очистка от соединений азота и фосфора может осуществляться физико-химическими и биологическими методами.

Дезинфекция сточных является заключительным этапом их обработки перед сбросом в водоём. Цель дезинфекции - уничтожение патогенных микроорганизмов, содержащихся в сточной воде. Наибольшее значение получил способ дезинфекции путём введения в воду газообразного хлора. Возможно обеззараживание сточных вод озоном, используются бактерицидные ультрафиолетовые лампы.

Обработка осадков сточных вод, образующихся в процессе очистки, заключается в снижении их влажности и уменьшении объёма; в процессе обработки осадки обеззараживаются.

Загрязнения, задерживаемые решётками, вывозят с территорий станций очистки либо дробятся и обрабатываются совместно с осадками из отстойников. Песок из песколовок обезвоживается на песковых площадках и также вывозится или отмывается от органических загрязнений, подсушивается и используется в планировочных работах. Осадок из первичных отстойников и уплотнённый осадок из вторичных отстойников (активный ил) направляются в метантенки - герметичные резервуары, в которых под действием анаэробных микроорганизмов минерализуются органические вещества. Вместо метантенков может применяться метод анаэробной стабилизации. Дальнейшее снижение влажности осадков может достигаться в аппаратах механического действия - на вакуум-фильтрах, фильтр-прессах, центрифугах. Иловые площадки устраиваются для обезвоживания в естественных условиях сброженного в метантенках осадках.

Выбор методов очистки сточных вод и определение состава сооружений зависят от многих факторов: расхода сточных и мощности водоёма; расчёт необходимой степени очистки; рельефа местности; характера грунтов; энергетических затрат и др.

Механическая очистка сточных вод

Механическая очистка - применяется для выделения из сточных вод нерастворённых минеральных и органических примесей. Как правило, она является методом предварительной очистки и предназначена для подготовки сточных вод к биологическим или физико-химическим методам очистки. В результате механической очистки обеспечивается снижение взвешенных веществ до 90%, а органических веществ до 20%.

В сооружениях для механической очистки сначала отделяются наиболее крупные загрязнения (на решётках и ситах), затем тяжёлые взвеси (в песколовках) и на заключительном этапе - основная масса тонкодиспергированных нерастворимых загрязнений (в отстойниках).

Решётки и сита

Содержащиеся в сточных водах крупноразмерные (более 1 см) отбросы, являющиеся отходами хозяйственно-бытовой и производственной деятельности, представляют собой остатки пищи, упаковочные материалы, бумагу, тряпьё, санитарно-гигиенические, полимерные и волокнистые материалы. В процессе транспортирования по водоотводящим сетям крупноразмерные отбросы адсорбируют содержащиеся в сточных водах органические соединения, жиры. Образующийся на поверхности отбросов адгезионный слой способствует налипанию на них значительного количества песка, шлаков и других минеральных частиц. Таким образом, формируются многокомпонентные крупноразмерные органо-минеральные составляющие отбросов, осреднённая плотность которых близка к плотности воды, что облегчает последующих пронос песка через песколовки на крупноразмерных загрязнениях, проскакивающих через решётки.

Песок, проносимый на крупноразмерных органических соединениях через песколовки, выпадает в осадок в первичных отстойниках, что затрудняет выгрузку оседшего осадка, его перекачку по илопроводам и выгрузку сброженного осадка из метантенков. Кроме того, лёгкие плавающие отбросы, проходя через отстойники, осложняют работу сооружений доочистки или выносятся с очищенными водами в водоёмы, что недопустимо.

Таким образом, эффективное удаление крупноразмерных загрязнений из сточных вод при их прохождении через решётки позволит обеспечить нормальную эксплуатацию песколовок, первичных отстойников, метантенков и трубопроводов подачи осадков на метантенки, а также повысить качество очистки стоков.

Решётки являются первым элементом всех технологических схем очистки сточных вод. Они устанавливаются в уширенных каналах перед песколовками.

Песколовки

В сточных водах содержится значительное количество нерастворимых минеральных примесей (песка, шлака, боя стекла и др.). При совместном выделении минеральных и органических примесей в отстойниках затрудняется удаление осадка и уменьшается его текучесть. При этом могут происходить разделение осадка на тяжёлую (песок с большой плотностью) и лёгкую (органическую с небольшим удельным весом) части и накопление песка в отстойниках. Для удаления такого осадка требуются усиленные скребки. Осадок, содержащий песок, плохо транспортируется по трубопроводам. Песок накапливается, выводя из работы полезные объёмы очистных сооружений. Поэтому в составе очистных сооружений за решётками проектируются специальные сооружения, называемые песколовками. Они предназначены для выделения из сточных вод нерастворимых минеральных примесей. Выделение песка в них происходит под действием силы тяжести.

Они подразделяются на горизонтальные, вертикальные и с вращательным движением воды (тангенциальные и аэрируемые).

В песколовках удаляется из сточной воды примерно 40 - 60% мелких механических примесей.

Горизонтальные песколовки представляют собой удлинённые в плане сооружения с прямоугольным поперечным сечением.

Вертикальные песколовки удобны для накопления больших объёмов осадка. Их целесообразно применять в полураздельных системах и на станциях очистки поверхностных вод.

Тангенциальные песколовки имеют круглую форму в плане и касательных подвод воды к ним и обеспечивают в песколовках вращательное движение. Оно способствует поддержанию в потоке органических примесей. При этом скорость вращательного движения невелика и не препятствует выпадению песка в осадок.

Аэрируемые песколовки имеют удлинённую форму в плане и прямоугольное, полигональное или близкое к эллиптическому поперечное сечение. Особенность аэрируемых песколовок заключается в том, что поток очищаемой воды непрерывно аэрируется. Аэрируемые песколовки одновременно могут использоваться для улавливания всплывающих загрязнений (жиров, нефтепродуктов и др.).

Первичные отстойники

Наиболее простой способ удаления примесей - отстаивание, в процессе которого взвешенные вещества оседают на дно, а плавающие примеси всплывают на поверхность отстойников. Отстойники бывают горизонтальные, вертикальные и радиальные.

В горизонтальном отстойнике длина в 8 - 12 раз больше его глубины. Отстойники такого типа бывают непрерывного или периодического действия. В отстойнике непрерывного действия отделение примесей происходит благодаря резкому уменьшению скорости движения очищаемой жидкости (до 0,005 - 0,01 м/с). Продолжительность прохождения жидкости через отстойник составляет 1 - 3 часа. Эффективность осветления воды - от 40 до 60%. В отстойниках периодического действия продолжительность отстоя жидкости составляет несколько часов, после чего происходит удаление всплывших примесей, осветлённой воды и осадка.

Глубина (высота) вертикального отстойника в несколько раз превышает его горизонтальный размер. Разделение твёрдой и жидкой фаз происходит за счёт уменьшения скорости потока и изменения его направления на 180?. Вертикальные отстойники более компактны, однако их эффективность на 10 - 20% ниже, чем у горизонтальных.

В конструкции радиального отстойника реализован принцип действия вертикального и горизонтального отстойников. В центральной его части происходит смена направления потока очищаемой жидкости, а от центра к периферии он работает в режиме горизонтального отстойника. Это позволяет получать достаточно компактные сооружения большой производительности. Эффективность осветления в радиальных отстойниках достигает 60%.

В зависимости от вида удаляемых плавающих примесей отстойники могут называться нефтеловушками, жироуловителями и т.п. Эффективность удаления из воды плавающих примесей составляет 95 - 96%. Всплывшие примеси удаляются с поверхности специальными приспособлениями и направляются на утилизацию.

Биологическая очистка сточных вод

Выше перечисленные методы не могут обеспечить эффективной очистки воды от широкого спектра простых и сложных органических веществ, поэтому в настоящее время практически все типы сточных вод перед сбросом в водоём проходят стадию биологической очистки, сущность которой сводится к тому, что в определённых условиях микроорганизмы могут расщеплять органические вещества до конечных продуктов - воды, углекислого газа, нитрит-, сульфат-ионов и т.д.

По типу микроорганизмов, участвующих в разложении органических веществ, все биологические методы могут быть разделены на аэробные (для их жизнедеятельности необходим кислород) и анаэробные (живут в отсутствии кислорода).

Аэробный процесс

Аэробная биологическая очистка - минерализация органического вещества промышленных или бытовых стоков, происходящая в результате его окисления при содействии аэробных микроорганизмов (минерализаторов) в процессе использования ими этого вещества в качестве источника питания в условиях интенсивного потребления микроорганизмами растворённого в воде кислорода.

Биологическая очистка сточных вод может осуществляться в естественных условиях (поля орошения, поля фильтрации и биологические пруды), так и в специальных сооружениях (аэротенки, окситенки, биофильтры и др.).

Поля орошения. При их проектировании следует учитывать, что наиболее интенсивно процесс окисления идёт в верхних слоях почвы (0,2 - 0,4 м), в порах которой израсходованный запас кислорода быстро пополняется.

Для успешной эксплуатации полей необходимо подавать на них предварительно осветлённую воду, что снижает загрязнение почвы в 7 - 10 раз.

Поля фильтрации. На них не достигается баланс между количеством биогенов, вводимых со сточными водами и выносимых с дренажными водами, поэтому очищенная вода может содержать остаточные их количества. Качество дренажных вод считается удовлетворительным, если оно приближается к качеству воды после биологической очистки с последующей фильтрацией на песчаных фильтрах. При назначении поливной нормы учитывают окислительную способность почв, составляющую 0,5 - 1,5 г БПК (мІ Ч сут) в центральных и северных климатических зонах страны и 2 - 3 г БПК (мІ Ч сут) в южных чернозёмных районах.

В основе почвенно-биологической очистки лежит способность почвы поглощать и использовать загрязнения сточных вод. Наибольшее значение из всех её видов имеет поглощение, вызываемое действием поверхностных сил молекулярного и ионно-электростатического происхождения и обусловленное способностью микроорганизмов и корней растений адсорбировать питательные вещества с растворимыми в воде веществами. При этом одновременно с процессом минерализации происходит гумификация органических веществ сточных вод, что повышает содержание гумуса и потенциальное плодородие почв.

Пригодными и полезными для удобрительного орошения признаны промышленные сточные воды консервных, сахарных, крахмало-паточных, спиртовых, пивоваренных, дрожжевых и молочных заводов, а также некоторых предприятий нефте- и коксохимии.

Пригодность сточных вод для орошения сельскохозяйственных культур определяется как допустимой минерализацией, аналогично применяемой при орошении речными и подземными водами, так и концентрацией органических веществ. Сточные воды при использовании их для орошения должны отвечать аргомелиоративным требованиям, предъявляемым к поливной воде, в целях получения высоких урожаев, полноценного качества продукции и повышения плодородия почвы, которые в разных почвенно-климатических условиях различны.

При контроле пригодности промышленных сточных вод для орошения встаёт вопрос о допустимости содержания токсичных веществ в поливных водах, которые могут попадать в воду в силу особенностей производства. Установлено, что при почвенном обезвреживании сточных вод ПДК может быть значительно выше, чем в приёмниках сточных вод (табл.3).

Таблица 3

Предельно допустимая концентрация вредных веществ при сбросе в приёмник сточных вод и почвенном обезвреживании, мг/дмі

Вредное вещество	ПДК при:
	сбросе в водный объект	почвенном обезвреживании
1	2	3
Фенолы	0,001	50 - 100
Смолы	-	5 - 10
Нефтепродукты	По показателю плавающей смеси	50 - 100
Ацетон	По БПК5	40
Нитрилакрил	2	50
Метанол	По БПК5	200
Формальдегид	0,5	100
Медь	0,1	0,1 - 2
Цинк	1	0,17 - 2,2
Свинец	0,1	0,16 - 1,8
Вольфрам	-	10
Кобальт	1	10
Хром	0,1 - 0,5	1
Цианиды	0,1	50
Роданиды	-	2,5
Капролактам	-	200

Контроль за работой полей фильтрации можно осуществлять при помощи анализов грунтовых вод, взятых при бурении скважины на расстоянии 1 м от этих полей. Разница (в процентах) между количеством загрязнений, обнаруженных в сточных водах, и в фильтре выражает эффект очистки их на поле фильтрации.

Если состав сточных вод не соответствует указанным требованиям, то перед орошением необходимо проводить предварительную подготовку сточных вод (разбавление, нейтрализацию и др.).

Биологические пруды. Биологические пруды используют для очистки и доочистки городских сточных вод, а также различных видов производственных сточных вод, содержащих биоразлагаемые загрязнения. Целесообразность применения биологических прудов определяется климатическими условиями, концентрацией и расходом сточных вод, а также конкретными почвенными и топографическими условиями. По характеру обеспечения кислородного режима различают биопруды с естественной и искусственной аэрацией (аэрируемые биопруды).

Аэротенки. В аэрационных сооружениях микробиальная масса пребывает во взвешенном в жидкости состоянии в виде отдельных хлопьев, представляющих собой зооглейные скопления микроорганизмов, простейших и более высокоорганизованных представителей фауны (коловратки, черви, личинки насекомых), а также водных грибов и дрожжей. Этот биоценоз организмов, развивающихся в аэробных условиях на органических загрязнениях, содержащихся в сточной воде, получил название активного ила. Доминирующая роль в нём принадлежит различным группам бактерий - одноклеточным подвижным микроорганизмам с достаточно прочной внешней мембраной, способным не только извлекать из воды растворённые и взвешенные в ней органические вещества, но и самоорганизовываться в колонии - хлопья, сравнительно легко отделимые затем от очищенной воды отстаиванием и флотацией. Размер хлопьев щависит как от вида бактерий, наличия и характера загрязнений, так и от внешних факторов - температуры среды, гидродинамических условий в аэрационном сооружении и пр.

Аэротенки представляют собой открытые резервуары, через которые медленно протекают подвергающиеся аэрации сточные воды, смешанные с активным илом. Эффект биологической очистки сточных вод обеспечивается постоянным перемешиванием смеси сточных вод с активным илом и непрерывной её аэрацией на всём протяжении аэротенка. Подача кислорода в аэротенки может производиться воздухонагревателями, механическими или струйными аэраторами.

Аэротенки бывают:

· аэротенки-вытеснители - сооружения с сосредоточенным впуском воды и активного ила в них со снижающейся нагрузкой на активный ил вдоль сооружения;

· аэротенки с рассредоточенным вдоль сооружения впуском очищаемой воды и сосредоточенным впуском активного ила в них при циклически изменяющейся вдоль сооружения нагрузке на активный ил;

· аэротенки-смесители - сооружения с одинаковой нагрузкой на ил по всему объёму сооружения.

Различают также аэротенки прочного и контактного режимов действия; с пневматической или механической (или смешанной) системой аэрации и др.

Очистка сточных вод в аротенках осуществляется за счёт перевода значительной части загрязнений в форму прироста ила (избыточного активного ила, в которой они трансформировались). Если аэробная стабилизация ила осуществляется в аэротенках, то аэротенки называют аэротенки продлённой аэрации, а режим их работы продлённой аэрацией. Если же аэробная обработка ила осуществляется в отдельных резервуарах типа регенераторов, то она называется аэробной минерализацией. Длительность пребывания избыточного активного или в аэробных стабилизаторах составляет 7 - 12 сут. В регенераторах циркуляционный активный ил освобождается от накопленных в аэротенке загрязнений, а в аэробных минерализаторах - избыточный активный ил подвергается самоокислению. После минерализации активный ил сравнительно легко обезвоживается и подсушивается. Аэробная минерализация находит применение лишь на небольших очистных сооружениях.

Продлённая аэрация может применяться не только в целях снижения БПК, но и для глубокой очистки сточной воды от аммонийного азота. При определённой длительности пребывания активного ила в системе биологической очистки в нём развиваются нитрифицирующие микроорганизмы, переводящие аммонийный азот NH3 сначала в нитриты NO2, а затем в нитраты NO3. Этот процесс получил название нитрификации. Если затем прекратить подачу кислорода (воздуха) в иловую смесь, то под воздействием микроорганизмов активного ила нитраты будут редуцированы в азот, который в газообразном виде уходит в атмосферу. Такой приём получил название денитрификации, а соответствующее сооружение - денитрификаторов.

Окситенки. По технической сути процессы биологической очистки в окситенках идентичны очистным процессам в аэротенках. Основное отличие заключается в применении в окситенках для обеспечения аэробных условий технического кислорода или воздуха, обогащённого кислородом, вместо атмосферного воздуха. Окситенк оборудуется системой автоматизации, обеспечивающей подачу кислорода в зону аэрации в строгом соответствии со скоростью его потребления.

Высокая концентрация растворённого кислорода в окситенках позволяет значительно повысить дозу активного ила в сооружении и интенсифицировать процессы нитрификации аммонийного азота.

Биофильтры. Биологический фильтр - очистное сооружение, заполненное загрузочным материалом, через который фильтруется сточная вода и на поверхности которого развивается биологическая плёнка, состоящая преимущественно из прикреплённых форм аэробных микроорганизмов. Очистка сточных вод осуществляется вследствие жизнедеятельности микроорганизмов. По характеру загрузочного материала различают биологические фильтры с объёмной (зернистой) и плоскостной загрузкой. Биофильтры классифицируются по различным признакам. По степени очистки - на биофильтры, работающие на полную или неполную очистку. По способу подачи воздуха - на биофильтры с естественной вентиляцией и искусственной подачей воздуха (аэрофильтры). По количеству ступеней очистки - на биофильтры одноступенчатые и двухступенчатые. Двухступенчатые биофильтры применяются при необходимости более высокой степени очистки и при отсутствии возможности увеличить высоту слоя загрузки в объёме одноступенчатого биофильтра.

В биологических фильтрах с объёмной загрузкой используют щебень прочных горных пород, гальку, шлак, керамзит. Биофильтры с объёмной загрузкой могут быть капельными, высоконагружаемыми и башенными.

Биологические фильтры с плоскостной загрузкой по характеру загрузочного материала различаются: с жёсткой засыпной загрузкой из пластмассовых колец, обрезков труб, шариков и других материалов; с жёсткой блочной загрузкой, изготовляемой из плоских или гофрированных листов, монтируемых в блоки; с мягко загрузкой из металлических сеток, полимерных плёнок или синтетических тканей, прикреплённых на каркасах или укладываемых в виде рулонов. Материал для плоскостных загрузок должен обладать механической прочностью, стойкостью к биологическому разложению и не выделять токсичных для микроорганизмов компонентов.

Вторичные отстойники. Вторичные отстойники используются для отделения активного ила или биоплёнки, поступающих вместе с очищенной водой из аэробных биоокислителей (аэротенки, биофильтры). Они конструктивно аналогичны первичным отстойникам и бывают вертикальными, горизонтальными, диагональными и радиальными. Основные отличия заключаются в характере механизмов для сбора и удаления осадка и связанной с этим конструкцией днища. Вторичные отстойники всех типов после аэротенков рассчитывают по гидравлической крупности взвеси с учётом концентрации активного ила в аэротенки, его индекса и концентрации выносимой иловой взвеси в осветлённой воде.

Анаэробный процесс

В случае высокой концентрации в сточных водах органических веществ (БПК более 1000 мг/л), а также для удаления избытка активного ила и отходов сельскохозяйственных продуктов применяют анаэробную биологическую очистку в метантенках (реактор с мешалкой и теплообменником). При этом источником кислорода в воде служат группы кислородосодержащих анионов: NO3?; SO4ІЇ; СО3ІЇ.

В основе метанового брожения лежит способность сообществ определённых микроорганизмов в ходе жизнедеятельности сначала в фазе кислого водородного брожения с помощью бактерий гидролизовать сложные органические соединения до более простых, а затем с помощью метанообразующих бактерий превращать их в метан и в угольную кислоту.

Процесс окисления - восстановления - это переход электронов от субстрата - донора к конечному акцепту. Для аэробной реакции конечным акцептором является кислород, а при ферментации (анаэробной очистке) - органическое соединение, образующееся в результате «простого перемещения» водорода из одной органической молекулы в другую:

С6Н12О6 = 3СН3СООН + 15ккал;

2СН3СООН = 2СН4 + 2СО2.

Образующийся газ состоит из метана (65%) и СО2 (33%) и может быть использован для нагрева до 45 - 55?С в самом метантенке, где происходит анаэробное брожение. Сброженный осадок имеет высокую влажность (95 - 98%), его уплотняют, сушат, затем используют в качестве удобрения или, если есть токсичные примеси, сжигают.

Процессы анаэробной очистки проводят в специальных метантенках при температуре 30 - 55?С, выделяющийся метан СН4 может быть использован для нагрева метантенка.

Образующиеся после анаэробной очистки сточные воды могут быть использованы для выращивания специальных одноклеточных водорослей типа хлореллы, которые в дальнейшем могут быть использованы на корм скоту.

Химическая очистка сточных вод

К химическим методам очистки сточных вод относят нейтрализацию, окисление и восстановление. Все эти методы связаны с расходом различных реагентов, поэтому дороги. Их применяют для удаления растворимых веществ и в замкнутых системах водоснабжения. Химическую очистку проводят иногда как предварительную перед биологической очисткой или после неё как метод доочистки сточных вод.

Нейтрализация

Сточные воды, содержащие минеральные кислоты или щелочи, перед сбросом их в водоёмы или перед использованием в технологических процессах нейтрализуют. Практически нейтральными считаются воды, имеющие рН = 6,5 - 8,5.

Нейтрализацию можно проводить различным путём: смешиванием кислых и щелочных сточных вод, добавлением реагентов, фильтрованием кислых вод через нейтрализующие материалы, адсорбцией кислых газов щелочными водами или адсорбцией аммиака кислыми водами. Выбор метода нейтрализации зависит от объёма и концентрации сточных вод, от режима их поступления, наличия и стоимости реагентов. В процессе нейтрализации могут образовываться осадки, количество которых зависит от концентрации и состава сточных вод, а также от вида и расхода используемых реагентов.

Нейтрализация смешиванием. Этот метод применяют, если на одном предприятии или на соседних предприятиях имеются кислые и щелочные воды, не загрязнённые другими компонентами. Кислые и щелочные воды смешивают в ёмкости с мешалкой и без мешалки. В последнем случае перемешивание ведут воздухом при его скорости в линии подачи 20 - 40м/с.

Нейтрализация путём добавления реагентов. Для нейтрализации кислых вод могут быть использованы: NaOH, KOH, Na2CO3, NH4OH (аммиачная вода), СаСО3, МgСО3, доломит (СаСО3 • MgСО3), цемент. Однако наиболее дешёвым реагентом является гидроксид кальция (известковое молоко) с содержанием активной извести Са (ОН)2 5 - 10 %. Соду и гидроксид натрия следует использовать, если они являются отходами производства. Иногда для нейтрализации применяют различные отходы производства.

Реагенты выбирают в зависимости от состава и концентрации кислой сточной воды. При этом учитывают, будет ли в процессе образовываться осадок или нет. Различают три вида кислотосодержащих сточных вод: 1) воды, содержащие слабые кислоты (Н2СО3, СН3СООН); 2) воды, содержащие сильные кислоты (НСl, НNО3). Для их нейтрализации может быть использован любой названный выше реагент. Соли этих кислот хорошо растворимы в воде; 3) воды, содержащие серную и сернистые кислоты. Кальциевые соли этих кислот плохо растворимы в воде и выпадают в осадок.

Известь для нейтрализации вводят в сточную воду в виде гидроксида кальция (известкового молока; «мокрое» дозирование) или в виде сухого порошка («сухое дозирование).

При нейтрализации сточных вод, содержащих серную кислоту, известковым молоком в осадок выпадает гипс СаSО4 • 2Н2О. Растворимость гипса мало меняется с температурой. При перемешивании таких растворах происходит отложение гипса на стенках трубопроводов и их забивка. Для устранения забивки трубопровода необходимо промывать их чистой водой или добавлять в сточные воды специальные умягчители, например гексаметафосфат. Увеличение скорости движения нейтрализованных вод способствует уменьшению отложений гипса на стенках трубопровода.

Для нейтрализации щелочных сточных вод используют различные кислоты или кислые газы.

Нейтрализация фильтрованием кислых вод через нейтрализующие материалы. В этом случае для нейтрализации кислых вод проводят фильтрование их через слой магнезита, доломита, известняка, твёрдых отходов (шлак, зола). Процесс ведут в фильтрах-нейтрализаторах.

Нейтрализация кислыми газами. Для нейтрализации щелочных сточных вод используют отходящие газы, содержащие СО2, SО2, NО2, N2О3 и др. Применение кислых газов позволяет не только нейтрализовать сточные воды, но и одновременно производить высокоэффективную очистку самих газов от вредных компонентов.

Окисление и восстановление

Для очистки сточных вод используют следующие окислители: газообразный и сжиженный хлор, диоксид хлора, хлорат кальция, гипохлориты водорода и натрия, перманганат калия, бихромат калия, пероксид водорода, кислород воздуха, пероксосерные кислоты, озон, пиролюзит и др.

В процессе окисления токсичные загрязнения, содержащиеся в сточных водах, в результате химических реакций переходят в менее токсичные, которые удаляют из воды. Очистка окислителями связана с большим расходом реагентов, поэтому её применяют только в тех случаях, когда вещества, загрязняющие сточные воды, нецелесообразно или нельзя извлечь другими способами. Например, очистка от цианидов, растворённых соединений мышьяка и др.

Очистка восстановлением. Методы восстановительной очистки сточных вод применяют в тех случаях, когда они содержат легко восстанавливаемые вещества. Эти методы широко используют для удаления из сточных вод соединений ртути, хрома, мышьяка.

Физико-химическая очистка сточных вод

Методы очистки сточных вод в основе которых лежат процессы описываемые законами физической химии, называются физико-химическими.

Обязательным условием применения физико-химических процессов очистки сточных вод является источник внешней энергии. Для их осуществления используют разнообразные виды энергии: электрическую, химическую, тепловую, механическую и др. Это увеличивает затраты на очистку воды.

В практике очистки сточных вод часто встречаются ситуации, когда биологические очистные сооружения не могут обеспечить эффективную работу, например, вследствие длительных перерывов в поступлении сточных вод, нестабильности энергоснабжения, а также присутствия в сточных водах соединений токсичных для биоценозов, и ряда других. Особенность сооружений физико-химической очистки сточных вод - быстрота ввода в режим эксплуатации, что важно при решении задач жизнеобеспечения, в том числе в условиях чрезвычайных ситуаций.

В схемах станций очистки сточных вод населённых мест на разных этапах обработки воды могут применяться такие методы, как флотация, коагулирование и сорбция. Целесообразность включения их в состав очистных сооружений должна быть обоснована технико-экономическими расчётами.

Очистка сточных вод флотацией.

Флотация - один из видов адсорбционно-пузырькового разделения, основанный на формировании всплывающих агломератов загрязнений с диспергированной газовой фазой (флотокомплексов) и последующим их отделении в виде концентрированного пенного продукта (флотошлама).

В соответствии с классификацией загрязнений городских сточных вод флотация позволяет осуществлять извлечение грубодисперсных примесей, характеризуемых показатели «взвешенные вещества», наличием плавающих веществ (нефтепродукты, жироподобные вещества) и ПАВ.

В технологических процессах очистных сооружений населённых мест наибольшее применение имеет флотация с компрессионным получение диспергированной газовой фазы. Газовая фаза, получаемая этим способом, обладает большой удельной поверхностью и адгезионной активностью. Флотокомплексы, сформировавшиеся на её основе обладают высокой скоростью всплывания, достигающей 20 мм/с. Это существенно уменьшает период отделения загрязнений по сравнению с отстаиванием.

Функционально флотационные сооружения могут осуществлять задачи предварительного осветления поступающих сточных вод, доочистки сточных вод по взвешенным веществам ПАВ, а также функции илоотделения на разных стадиях обработки воды.

Применение флотации после сооружений полной биологической очистки городских сточных вод позволяет существенно улучшить многие показатели качества воды. В табл. 4 приведены данные по флотации биологически очищенных сточных вод.

Таблица 4.

Результаты флотационной обработки городских сточных вод после сооружений полной биологический очистки

Показатель	Сточные воды	Средний эффект очистки, %
	поступающие	очищенные
Взвешенные вещества, мг/л	8 - 25	4 - 12	50
БПК 5, мг О2/л	10 - 25	4,5 - 11	55
ХПК, мг О2/л	40 - 110	24 - 39	45
ПАВ, мг/л	1,5 - 6,5	0,5 - 4,2	67

Кроме того, было отмечено удаление соединений азота на 15 - 20%, ионов железа на 23 - 26%, ионов хрома на 11 - 18%, эфироизвлекаемых веществ на 25 - 28%.

Среди других сооружений гравитационного отделения загрязнений флотаторы отличаются большей эффективностью, меньшими размерами, технологической гибкостью и управляемостью. Недостатками являются зависимость от электроснабжения и большее потребление электроэнергии.

Очистка сточных вод коагулированием

Сточные воды населённых мест содержат 50 - 60% загрязнений, относящихся по физико-химическим свойствам к коллоидным. Коллоидные дисперсные частицы не осаждаются и не задерживаются обычными фильтрами. Их размер условно находится в интервале 1 - 100 нм. Они образуют устойчивые системы, по внешним признакам сходные с истинными растворами.

Для повышения эффективности очистки сточных вод от коллоидных загрязнений используют реагенты, называемые коагулянтами. Минеральные коагулянты - это гидролизирующиеся соли металлов.

В качестве коагулянтов часто используют сульфат алюминия Al2(SO4)3 • 18 Н2О, алюминат натрия NaAlO2, гидроксохлорид алюминия Al2(OH)5Cl, реже - тетраоксосульфаты алюминия - калия и алюминия - аммония. Широкое распространение получил сульфат алюминия. При коагулировании сульфат алюминия взаимодействует с гидрокарбонатами, имеющимися в воде, или специально добавляемыми щелочными реагентами, образуя малорастворимые основания. В последнее время успешно применяют гидроксохлорид алюминия, для которого требуется меньший щелочной запас воды.