Очистка сточных вод

Железосодержащие коагулянты - это прежде всего сульфаты двух- и трёхвалентного железа Fe2(SO4)3 • 2H2O, Fe(SO)4 • 3H2O и FeSO4 • 7H2O, а также хлорное железо FeCl3. Поскольку железо обладает переходной валентностью, перечисленные реагенты могут применяться не только для коагулирования, но и для проведения реакций окисления-восстановления с последующей седиментацией.

Для интенсификации процессов отделения скоагулированных загрязнений применяют реагенты, называемые флокулянтами. Флокулянты могут быть как неорганическими, так и органическими веществами. В последнее время для очистки сточных вод широко применяются высокомолекулярные соединения (ВМС). Молекула ВМС в воде может быть электронейтральна или нести заряд. В последнем случае вещество будет называться полиэлектролитом. Иногда полиэлектролиты полностью выполняют функции коагулянта и флокулянта.

Технологический комплекс для коагулирования сточных вод включает основные сооружения для смешивания обрабатываемой воды с раствором коагулянта, формирования крупных флоккул оседающих соединений, осветления воды, а также вспомогательные сооружения и оборудование для хранения, приготовления и дозирования реагентов.

Растворённые и коллоидные органические загрязнения городских сточных вод характеризуются многообразием компонентов. Изучение состава растворённых органических загрязнений показало, что 62 - 66% соединений относятся к группе органических кислот, 8,2 - 9,6% проявляют свойства оснований, а 28,4 - 34,0% нейтральны. С учётом адсорбции загрязнений на гидроксидах коагулированием удаётся 30 - 40% общей массы органических веществ, находящихся в растворе. Наибольшая эффективность очистки воды достигается по органическим основаниям (до 70%), наименьшая - по органическим кислотам (до20%).

Соединения фосфора, находящиеся в растворённом состоянии, в процессе коагулирования образуют малорастворимые фосфаты алюминия, железа или кальция и выпадают в осадок. Сложные и нерастворимые формы фосфата удаляются путём сорбции и хлопьях гидроксидов.

Удаление тяжёлых металлов, происходит в результате сорбции и соосаждения их гидроксидов, полнота которого зависит от рН сточной воды и свойств самих металлов.

Таким образом, в процессе коагулирования и последующего отделения осадков из сточных вод могут быть достаточно полно удалены не только взвешенные вещества, но и органические коллоидные загрязнения, некоторые растворённые загрязнения, в том числе обладающие поверхностно-активными свойствами, соединения фосфора, соли тяжёлых металлов и т.д.

Применение флотации для отделения скоагулированных загрязнений наряду с увеличением скорости извлечения загрязнений повышает эффективность очистки воды по взвешенным веществам, ПАВ, ХПК. В табл. 5 приведены результаты коагулирования городских сточных вод, прошедших полную биологическую очистку, с последующей флотацией. В качестве коагулянта использовано хлорное железо в количестве 0,5 - 1,0 мг-экв/л. Продолжительность обработки воды в компрессионном флотаторе - 20 мин.

Таблица 5. Результаты доочистки сточных вод коагулированием с последующей флотацией

Коагулирование с последующим отстаиванием практически не эффективно в отношении удаления аммонийного азота. К другим недостаткам метода относятся необходимость применения реагентов и увеличение объёмов отделяемых осадков.

Сорбция - это равновесный динамический процесс поглощения вещества из окружающей среды твёрдым веществом, жидкостью или газом. Поглощающее вещество называется сорбентом, а поглощаемое - сорбатом. Сорбция веществ поверхностным слоем твёрдого сорбента называется адсорбцией.

Сорбционные методы относятся к наиболее эффективным для глубокой очистки сточных вод от растворённых органических веществ. Сорбционная очистка может применяться самостоятельно или совместно с другими методами предварительной и глубокой очистки сточных вод.

В качестве сорбентов на городских очистных сооружениях применяют природные материалы, отходы некоторых производств и активные угли. Природные пористые материалы, такие, как торф, активные глины и производственные отходы - зола, коксовая мелочь, силикагели, алюмогели и др., обладают малой сорбционной ёмкостью и высоким сопротивлением фильтрации. Сорбционная ёмкость - это масса поглощённых загрязнений, приходящаяся на единицу объёма или массы поглощённых загрязнений.

Сорбенты, используемые для очистки сточных вод, могут быть нерегенерируемыми и регенерируемыми. В последнем случае они подвергаются восстановлению с использованием регенеративной технологии, когда извлечённые вещества утилизируются, или деструктивной, при которой извлечённые вещества уничтожаются.

Для регенерации активных углей используют термические, химические или биологические методы. Летучие органические вещества удаляют высокотемпературной десорбцией воздухом (120 - 140?С), паром (200 - 300?С) или дымовыми газами (300 - 500?С). При химической регенерации органические соединения удаляют промывкой растворами кислот или щелочей. Биологическая регенерация состоит в биохимическом окислении органических веществ в течение 10 - 20 ч. В зависимости от назначения сорбционной очистки применяют различные методы регенерации сорбента или его уничтожения.

Эффективным сорбентом, используемыми в технологии очистки городских сточных вод, являются гранулированные активные угли различных марок. Наибольшее распространение адсорбция получила на заключительных стадиях очистки сточных вод. Обусловлено это тем, что в составе поступающих сточных вод могут содержаться стойкие органические соединения, сброс которых со сточными водами ограничен.

В процессе адсорбционной доочистки из воды удаляются биохимические стойкие органические вещества, микроколичества ионов тяжёлых металлов, радиоактивных изотопов, ртути, остаточный хлор, аммонийный азот, бактериальные и другие загрязнения. Результаты адсорбционной доочистки сточных вод приведены в табл. 6.

Таблица 6.

Результаты работы адсорбционных фильтров после полной биологической очистки городских сточных вод

В процессе длительной работы адсорбционных фильтров на поверхности зёрен образуется биоплёнка, которая нарушает их нормальную работу, увеличивает потери напора. Вместе с тем нарастающая биоплёнка способствует более глубокой очистки воды по БПК и содержанию азота. Это явление было положено в основу разработки сооружения для глубокой очистки сточных вод - биосорбера.

В биосорберах сочитаются биохимические и физико-химические процессы, происходящие во взвешенном и плотном слоях активного угля.

Исходя из задач очистки сточных вод населённых мест сооружения физико-химической обработки могут быть основой технологического процесса или его частью в сочетании с другими сооружениями, например механической или биологической очистки.

Наиболее простая схема станции физико-химической очистки сточных вод включает коагулирование и отделение скоагулированных загрязнений от воды в процессе отстаивания и флотации. Такая схема может быть реализована в короткий срок на базе как новых, так и старых сооружений механической очистки. В последнем случае относительно небольшие капитальные вложения, необходимые для реконструкции станций механической очистки, позволяют значительно улучшить качество очищенных сточных вод.

Существенное повышение эффективности очистных сооружений обеспечивается путём сочетания реагентной обработки сточных вод с адсорбционной ступенью очистки - фильтрованием через слой активного угля. Так, при необходимости достижения глубокой очистки сточных вод на очистных сооружениях с ограниченной территорией может быть применён технологический процесс по схеме: коагулирование > флотация > сорбция.

По необходимости глубокого извлечения из сточных вод соединений азота технологические схемы дополняются ступенью очистки, основанной на одном из физико-химических приёмов, обладающих избирательным действием, либо на биологическом процессе нитрификации - денитрификации.

Станции очистки сточных вод, сконструированные по более сложным схемам, отличаются высокой интенсивностью и глубиной удаления загрязнений по всем основным показателям. В ряде случаев это позволяет использовать очищенные сточные воды в оборотных системах промышленных предприятиях и сельском хозяйстве. Схемы таких очистных сооружений, как правило, сочетают методы механической, физико-химической и биологической очистки воды.

Поскольку физико-химические методы очистки сточных вод основаны на привлечении дополнительной энергии из внешних источников, затраты на их осуществление выше по сравнению с методами, в которых используется собственная энергия системы (механическими и частично биологическими).

Обеззараживание сточных вод

Обеззараживание сточных вод имеет целью уничтожение оставшихся в них патогенных бактерий и снижение эпидемиологической опасности при сбросе в поверхностные водоёмы. Запрещается сброс в водные объекты сточных вод, содержащих возбудителей инфекционных заболеваний. Стоки, опасные в эпидемиологическом отношении, допустимо сбрасывать в водоём только после их очистки и обеззараживания. При этом количество лактозоположительных кишечных палочек (индекс ЛКП) в сточной воде не должно превышать 1000 кл/дмі.

Из опыта очистки сточных вод известно, что при первичном отстаивании общее количество бактерий снижается на 30 - 40%, а после ступени биологической очистки - на 90 - 95%. Это доказывает необходимость применения специальных методов обеззараживания очищенных сточных вод для обеспечения их эпидемиологической безопасности.

Применяемые в настоящее время методы обеззараживания воды можно разделить на две основные группы - химические и физические. К химическим методам относят окислительные и олигодинамические (воздействие ионами благородных металлов); в качестве окислителей используют хлор, диоксид хлора, озон, марганцовокислый калий, перекись водорода, гипохлориты натрия и кальция. К физическим методам относятся термическая обработка, ультрафиолетовое облучение, воздействие ультразвуком, облучение ускоренными электронами и г-лучами. Выбор метода обеззараживания осуществляется на основании данных о расходе и качестве очищенных сточных вод, условиях поставки и хранения реагентов и условий энергоснабжения, наличия особых требований.

Системы водоотведения

Система водоотведения, называемая ещё канализационной системой, включает следующие основные элементы: внутренние водоотводящие системы в жилых зданиях или производственных помещениях; внутриквартальные или внутриплощадочные водоотводящие сети; внешние (внеплощадочные) водоотводящие сети; регулирующие резервуары; насосные станции и напорные трубопроводы; очистные сооружения; выпуски очищенных сточных вод в водные объекты; аварийные выпуски сточных вод в водные объекты. Водоотводящие системы подразделяются на общесплавные, раздельные и комбинированные. В свою очередь раздельные системы подразделяются на полные раздельные, неполные раздельные и полураздельные.

Общесплавная система водоотведения имеет одну водоотводящую сеть, предназначенную для отвода сбросных вод всех категорий: хозяйственно-бытовых, производственных и дождевых.

Полная раздельная система водоотведения имеет два или более коллекторов, предназначенных для отдельного отвода сточных вод определённой категории.

Хозяйственно-бытовые сточные воды отводят на общегородские очистные сооружения, где производят их очистку до кондиций, удовлетворяющих условиям сброса в водные объекты. Очистку производственных сточных вод осуществляют на специальных очистных сооружениях данного промышленного объекта или группы таких объектов. После очистки производственные сточные воды могут быть использованы для технического водоснабжения, поданы на общегородские очистные сооружения для доочистки или сброшены в водный объект. Талые и дождевые воды по коллектору ливневой канализации подаются на очистку и в дальнейшем используются для технического водоснабжения или сбрасываются в водные объекты.

Неполная раздельная система водоотведения предусматривает отвод хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод по единому коллектору. Отвод дождевых вод производится отдельно по коллекторам, лоткам или канавам. Как правило, неполная раздельная система используется для небольших объектов водоотведения и является первоначальным этапом создания полной раздельной системы.

Полураздельная система водоотведения предусматривает отвод смеси хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод по одному общему коллектору, а дождевых вод - по другому. Дождевые и производственные коллекторы по трассе водоотведения пересекаются. В месте пересечения устанавливаются разделительные камеры, с помощью которых дождевой сток полностью или частично из дождевого коллектора попадает в главный. При сравнительно малых расходах дождевых вод они полностью поступают в главный коллектор. При больших расходах дождевых вод в главных коллектор поступает лишь часть дождевого стока, протекающего по нижней части дождевого коллектора. Это наиболее загрязнённая часть дождевого стока, отводимого с прилегающей территории в начальный период дождя, когда происходит смыв основной массы загрязняющих веществ. Поступающая в последующий период менее загрязнённая часть дождевого стока через распределительную камеру отводится в водный объект без очистки. В смеси с дождевыми водами частично сбрасываются и сточные воды.

Комбинированная система водоотведения представляет собой совокупность общесплавной системы с полной раздельной. Такая система формируется по мере развития и реконструкции канализационной сети города. В старой части города может функционировать общесплавная система водоотведения, а в районах новостроек создаётся полная раздельная система.

Требования к качеству сточных вод

При спуске в водные объекты.

Сброс сточных вод в водные объекты относится к одному из видов специального водопользования и осуществляется на основе разрешения, выдаваемого местными органами экологической безопасности. Отведение сточных вод в водные объекты регламентируется нормами предельно допустимых сбросов веществ (ПДС). ПДС - это максимально допустимая масса вещества, отводимая со сточными водами в единицу времени, которая позволяет обеспечить соблюдение норм качества воды в контрольном створе водного объекта для наихудших условий водопользования.

Для каждого конкретного случая при установлении лимита отведения сточных вод в водный объект и для прогнозирования степени загрязнения водного объекта ниже по течению проектируемого выпуска расчёт величины ПДС производится на основе уровня баланса, учитывающего фоновую концентрацию, гидрологические, гидравлические и гидродинамические особенности водного объекта.

Проекты ПДС разрабатываются и утверждаются для предприятий, учреждений и организаций, имеющих или проектирующих самостоятельные выпуски сточных вод в водные объекты в целях соблюдения ПДК в контрольных створах водопользования.

Расчёт ПДС производится по наибольшим среднечасовым расходам сточных вод q (в мі/ч) фактического периода спуска сточных вод. Концентрация загрязнений Sґст выражается в мг/л (г/мі), а ПДС - в г/ч.

ПДС с учётом требований к составу и свойствам воды в водных объектах определяется для всех категорий водопользования как произведение:

ПДС = qSґст. (1.1)

Необходимо подчеркнуть обязательное требование сброса массы вещества, соответствующей ПДС с расходом сточной воды q, принятой для расчёта по формуле (1.1). Уменьшение расхода q при сохранении величины ПДС будет приводить к концентрации вещества в сточной воде, превышающей Sґст что недопустимо.

Концентрация Sґст, необходимая для расчёта ПДС по формуле (1.1), при сбросе сточных вод в черте города (населённого пункта) принимаемая по величине не более предельно допустимой концентрации, соответствующей требованиям, установленным к составу и свойствам воды водных объектов в местах водопользования.

Исходя из вышеприведённой методики требуемая степень очистки сточных вод по рассматриваемому показателю загрязнения определяется как:

Sст q - ПДС

nоч = ------------------- 100, (1.2)

Sст q

где Sст - концентрация загрязняющего вещества до очистки, т.е. концентрация вещества в свежей сточной жидкости.

Если, например, Sст < Sґст, то очистка сточных вод не требуется. Разница между концентрациями Sґст - ПДК определяется влиянием процессов разбавления и самоочищения.

При поступлении на очистные сооружения.

Промышленные сточные воды, прошедшие локальные очистные сооружения, и бытовые сточные воды в большинстве случаев поступают для совместной очистки на сооружения биологической очистки городских канализаций.

На крупных промышленных предприятиях обычно образуются сточные воды различного качества, для отвода которых строится несколько канализационных систем. Каждая система может иметь свои локальные очистные сооружения. При выборе схемы локальных очистных сооружений следует иметь в виду, что концентрация смеси загрязняющих веществ, поступающих в канализацию с производственными и хозяйственно-бытовыми водами, не должна превышать концентраций, допустимых для сооружений биологической очистки. Допустимая остаточная концентрация загрязнений в производственных сточных водах после локальной очистки должна определяться с учётом концентрации этого вида загрязнения в бытовых сточных водах (или сточных водах других промышленных предприятий). Остаточная концентрация загрязнений, мг/л, в производственных сточных водах может быть определена по формуле:

Qгор

Sпр = ----- (Sсм - Sбыт) + Sбыт, (1.3)

Qпр

где Qгор - расход городских сточных вод; Qпр - суммарный расход производственных сточных вод; Sбыт - концентрация загрязнения в бытовых сточных водах; Sсм - концентрация загрязняющего вещества в смеси производственных и бытовых сточных вод.

Последняя величина определяется, мг/л:

100Sґст

Sсм = -----------, (1.4)

100 - А

где Sґст - допустимая концентрация загрязняющего вещества в очищенных городских сточных вод; А - эффективность удаления загрязняющих веществ на очистных сооружениях города, % (табл.7).

Таблица 7.

Исходные данные для расчёта по формулам (1.3) и (1.4)

Если в результате расчёта окажется, что Sсм > Sбо, где Sбо - максимально допустимая концентрация для биологической очистки, то следует пересчитать Sґст из формулы (1.4), приняв, что Sсм = Sбо.

Допустимая концентрация загрязняющих веществ в очищенных городских сточных водах Sґст определяется, учитывая ПДК в контрольном створе водного объекта, а также процессы разбавления и самоочищения.

В системы канализации города могут быть приняты производственные сточные воды, которые не вызывают нарушения в работе канализационных сетей и сооружений, обеспечивают безопасность их эксплуатации и могут быть очищены совместно со сточными водами города.

Запрещается сбрасывать вещества, оказывающие разрушающее действие на материал труб и элементы сооружений канализации, а также вещества в концентрациях, препятствующих биологической очистке сточных вод. Также запрещается сбрасывать в систему канализации нерастворимые масла, смолы и мазут, биологические трудно окисляемые органические вещества, минеральные вещества, взвешенные и всплывающие вещества в концентрациях, превышающих 500 мг/л; вещества, для которых не установлены ПДК в воде водных объектов.

Категорически запрещается сбрасывать в системы канализации кислоты, горючие примеси, токсичные и растворённые газообразные вещества, способные образовать в системах токсичные газы и другие взрывоопасные и токсичные смеси. Запрещается также сбрасывать в канализационную сеть города производственные сточные воды, имеющие температуру свыше 40?С, рН ниже 6,5 или выше 9, ХПК выше БПК5 более чем в 2,5 раза или БПКполн более чем в 1,5 раза; концентрированные маточные и кубовые растворы; строительный и бытовой мусор.

При расчёте допустимых концентраций загрязняющих веществ в производственных сточных водах, принимаемых в систему канализации города, следует руководствоваться следующими требованиями:

· допустимое содержание органических веществ, оцениваемых по БПК5, должно определяться расчётом. При этом БПК производственных сточных вод не должна вести к превышению БПК поступающих на очистные сооружения городских сточных вод, принятой при проектировании этих сооружений;

· допустимые концентрации загрязняющих веществ, удаляемых на очистных сооружениях города, должны определяться с учётом условий сброса очищенных сточных вод в водный объект.

3. Вывод

Механическую очистку как самостоятельный метод применяют тогда, когда осветлённая вода после этого способа может быть использована в технологических процессах производства или спущены в водоёмы без нарушения их экологического состояния. Во всех остальных случаях механическая очистка служит первой ступенью очистки сточных вод.

Химическая и физико-химическая очистка сточных вод играет значительную роль при обработке производственных сточных вод. Они применяются как самостоятельные, так и в сочетании с механическими и биологическими методами.

Биологическая очистка - широко применяемый на практике метод обработки бытовых и производственных сточных вод. В настоящее время метод биологической очистки сточных вод является одним из самых эффективных и значительно не дорогих.

В заключении хочется сказать, что защита водных ресурсов от истощения, загрязнения и их рационального использования - одна из наиболее важных проблем, требующих безотлагательного решения. В России осуществляются мероприятия по охране окружающей среды, в частности по очистке сточных вод, но проблема очистки малых и средних объёмов до сих пор явно не решена. Существенное влияние на повышение качества водооборота, может оказать внедрение высокоэффективных методов очистки сточных вод. На реализацию комплекса мер по охране водных ресурсов от загрязнения и истощения во всех развитых странах выделяются большие финансовые средства, достигающие 2 - 4% национального дохода. Недооценивать важность охраны и рационального использования водных ресурсов сегодня, значит получить в скором времени целый букет экологических проблем, преодолевать которые будет уже гораздо сложнее.

4. Список используемой литературы

1. Ф.В. Стольберг «Экология города». К.: Либра, 2000г.

2. Д.А. Кривошеин, Л.А. Муравей, Н.Н. Роева и др.; Под ред. Л.А. Муравья «Экология и безопасноть жизнедеятельности». М.: ЮНИТИ - ДАНА, 2002г.

3. Л.С. Алексеев «Контроль качества воды». М.: Инфра - М, 2004г.

4. С.И. Розанов «Общая экология». СПб.: Изд. «Лань», 2003г.

5. А.А. Рульнов, К.Ю. Евстафьев «Автоматизация систем водоснабжения и водоотведения». М.: Инфра - М, 2007г.

6. Л.Л. Пааль, Я.Я. Кару, Х.А. Мельдер, Б.Н. Репин «Справочник по очистки природных и сточных вод». М.: Высш.шк., 1994г.

7. Ю.В. Воронов, Е.В. Алексеев, В.П. Саломеев, Е.А. Пугачёв «Водоотведение». М.: Инфра - М, 2007г.

8. В.И. Калицун «Водоотводящие системы и сооружения». М.: Стройиздат, 1987г.

9. В.И. Коробкин, Л.В. Передельский «Экология». Ростов н/Д: изд. «Феникс», 2000г.