Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт транспорта

Кафедра «Транспортные и технологические системы»

РАСЧЕТНО - ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к выпускной квалификационной работе на тему:

«Проект пункта питьевой воды в Бердюжском районе»

Дипломник ____________________________ А.И. Акимов

Руководитель __________________________ А.В.Медведев

Консультанты __________________________ А.В. Медведев

_______________________________________ З.Х. Багаутдинова

Нормоконтроль ________________________ А.В.Медведев

Зав. кафедрой __________________________ Ш.М. Мерданов

Тюмень - 2010

ВВЕДЕНИЕ

Целью создания данного проекта является проектирование пункта очистки питьевой воды в селе Окунёво, Бердюжского района. Проект предусматривает создание пунктов по очистке воды непосредственно уже на разработанных артезианских скважинах.

Для разработки данного проекта был запрошен анализ исходной воды из артезианских скважин Бердюжского района и, на основании имеющихся данных, проект был разработан, согласно требованиям СНиП 2.04.02 - 85 «Водоснабжение наружные сети и сооружения» и ГОСТ 2874 - 82 «Гигиенические требования и контроль за качеством». При разработке данного проекта также необходимо было руководствоваться основами водного законодательства, а также требованиями по охране природы и рациональному использованию природных ресурсов.

Актуальность создания системы водоочистки в селе очевидна исходя из нижеследующего:

Во - первых, анализ исходной воды, представленный в данном проекте, показал, что вода в населённом пункте, с. Окунёво, обладает высоким железо- и солесодержанием. Такую воду нельзя употреблять в целях хозяйственно - питьевых нужд.

Во - вторых, в селе отсутствуют какие-либо водоочистные сооружения, то есть жители села не имеют альтернативы употреблению некачественной воды из их артезианских скважин.

В - третьих, исходя из данных, представленных на официальном сайте уральского федерального округа, население Бердюжского района постоянно растёт, следовательно, потребность в питьевой воде будет увеличиваться.

Реализация данного дипломного проекта позволит решить проблему очистки питьевой воды в селе. Население будет обеспечено качественной питьевой водой, что также благоприятно скажется на здоровье людей, проживающих в селе.

В данном проекте должны быть рассмотрены также вопросы защиты окружающей среды и вопросы безопасности жизнедеятельности обслуживающего персонала. Должен быть произведён расчёт расхода воды населением села, а в процессе подбора оборудования необходимо рассмотреть различные фильтры, установки и подготовительные системы для очистки воды различных производителей, марок и уровня производительности. Из них должна быть составлена оптимальная целостная система, удовлетворяющая нашим условиям.

Составленная схема должна быть наиболее оптимальна исходя как из технических, так и из экономических показателей.

Также необходимо рассмотреть типовые варианты решения проблемы очистки воды для хозяйственно - питьевых нужд.

Во время выполнения данного дипломного проекта были поставлены следующие задачи:

- произвести расчеты расходов потребляемой воды;

- подобрать оборудование для подготовки воды;

- предложить принципиальную схему очистки питьевой воды;

- дать экономическое обоснование выбранного оборудования.

Данный дипломный проект содержит 1 лист чертежа формата А3 с изображением соединительной монтажной схемы, ___ листов чертежей формата А_, спецификацию и пояснительную записку на ___ листах формата А4.

Также к пояснительной записке прилагается демонстрационный графический материал.

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Общая ситуация с проблемой очистки питьевой воды в России

В России проблема обеспечения населения доброкачественной питьевой водой остается нерешенной, а в ряде регионов приобрела кризисный характер. Из объема подаваемой населению воды 68 % занимают поверхностные водоисточники, только 1 % которых соответствует качеству, обеспечивающему, при существующих технологиях, получение питьевой воды (в соответствии с лимитами СанПиН 2.1.4.559 - 96 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды»).

По данным Госкомстата России, централизованные системы водоснабжения имеют 1078 городов (99 % от общего количества) и 1686 поселков городского типа (83 %), около 34 тыс. населенных пунктов (22 %). Общая протяженность трубопроводных сетей в России составляет 456000 км.

При среднем уровне удельного потребления в РФ на хозяйственно-питьевые и коммунально-бытовые нужды, равном 272 литров в сутки на одного жителя, в Москве этот показатель составляет 539 литров в сутки, в Челябинской области - 369, Саратовской - 367, Новосибирской - 364, Магаданской - 359, Камчатской - 353 литров в сутки, в Тюменской области - 462 литров в сутки.

В последние годы появилась тенденция загрязненности практически всех поверхностных вод - источников централизованного водоснабжения. В некоторых районах отмечен рост количества створов с высоким (10 ПДК) и экстремально высоким (100 ПДК) уровнем загрязнения водных объектов. Качество используемых для водоснабжения подземных вод (32 % от общего водозабора) в основном удовлетворяет нормативным требованиям, однако их загрязнение также увеличивается. В результате около 90 % поверхностных и 30 % подземных вод, забираемых для нужд водоснабжения, подвергается обработке. Из - за повышенного техногенного загрязнения водоисточников нефтепродуктами, солями тяжелых металлов, пестицидами, нитратами, и другими вредными веществами, технологии, применяемые для подготовки питьевой воды, в большинстве случаев неэффективны. Что приводит, как правило, к потреблению населением воды не питьевого качества.

Получение и подача населению кондиционной питьевой воды зависит от ряда факторов: состояния источников водоснабжения, санитарных зон, соответствия технологии водоподготовки качеству исходной воды, санитарно - технического состояния водопроводных сетей.

Эксплуатирующиеся водоочистные сооружения, построенные 25 - 30 лет назад по традиционным технологиям, были предназначены для кондиционирования природных вод с небольшой антропогенной нагрузкой.

В настоящее время они не в состоянии гарантировать бесперебойное снабжение потребителей доброкачественной водой, так как их барьерные функции в отношении некоторых видов загрязнений (особенно химических) чрезвычайно малы. Кроме того, в процессе обработки воды при ее первичном хлорировании в ней обычно образуется до 40 видов канцерогенных загрязнений, в том числе хлороформ, дихлорметан, дихлорэтан, а также другие хлорированные углеводороды. Установлено, что 28 идентифицированных соединений обладают мутагенными и канцерогенными свойствами.

Кроме того, обеззараживание хлором воды, содержащей хром, приводит к окислению трехвалентного хрома до шестивалентного, который, как известно, обладает канцерогенным эффектом.

Высокая загрязненность водоисточников и неэффективные технологии водоподготовки - основные причины неудовлетворительного качества питьевой воды в Поволжье, где поверхностные водоисточники обеспечивают нужд в питьевой воде на 85 %. Во всех субъектах РФ отмечены случаи нарушения требований ГОСТа по физико - химическим и микробиологическим показателям. Тяжелое положение со снабжением населения качественной питьевой водой отмечается в республиках Карелия, Дагестан, Якутия, Приморском крае, Архангельской, Кемеровской и Мурманской областях.

Вода является важнейшей составной частью живого организма, в теле взрослого человека она составляет 65 - 70 % его массы. Очень высоко ее содержание в продуктах питания, например в мясе - до 79 %, в рыбе - до 85 %, в растительных маслах и фруктах - до 78 - 97 %. В составе всех живых организмов планеты в целом содержится лишь вдвое меньше воды, чем во всех реках Земли. Без пищи человек может прожить 65 - 70 дней, без воды - несколько дней. При потере воды в количестве, равном 6 - 8 % массы тела, наблюдается выраженное обезвоживание организма: утрата воды, составляющая 10 - 20 % массы тела, опасна для жизни.

Согласно гигиеническим требованиям к качеству питьевой воды, она должна быть безопасной в эпидемическом отношении, безвредной по химическому составу и обладать удовлетворительными органолептическими свойствами. При гигиенической оценке качества воды используют следующие показатели: наличие патогенных микроорганизмов и возбудителей паразитарных заболеваний; концентрация химических веществ; изменение органолептических свойств (наличие запаха, привкуса, окраски, появление пены, пленки, мутности).

В целом неудовлетворительное качество питьевой воды оказывает значительное влияние на состояние здоровья населения.

Так, по данным ВОЗ (всемирная организация здравоохранения), в развивающихся странах потребление недоброкачественной воды является ежегодно причиной гибели нескольких сотен тысяч человек. Масштабы распространения острых кишечных инфекций (500 миллионов случаев в год, причем около 80% заболеваний приходится на развивающиеся страны) связывают с нехваткой или плохим качеством питьевой воды. Различные заболевания могут возникать не только при питье недоброкачественной воды, но и при рекреационном водопользовании, при употреблении немытых овощей, выращиваемых на полях орошения, из - за нехватки воды для целей личной гигиены. Установлено, что 1100 миллионов людей на Земле не обеспечены доброкачественной водой. Не случайно десятилетняя программа улучшения водоснабжения для обеспечения каждого человека на Земле доброкачественной водой в достаточном количестве выдвинута ВОЗ в качестве глобальной медицинской и социальной задачи для всех стран.

Из всего объема сточных вод, поступающих через коммунальные сети в поверхностные водные объекты, более 90% сбрасываются загрязненными.

Таким образом, одним из основных источников антропогенного воздействия на водоисточники является сброс недостаточно очищенных или просто неочищенных сточных вод от жилищно - коммунального комплекса.

В дополнение к техногенным нагрузкам на поверхностные источники питьевого водоснабжения появляются антропогенные загрязнения от коммунальных служб.

Загрязнения, поступающие в организм с питьевой водой, провоцируют возникновение многих заболеваний.

Высокое содержание хлоридов и сульфатов (более 5 ПДК) в питьевой воде определяет повышенный уровень заболеваемости желче - и мочекаменной болезнями, заболеваемость сердечнососудистой системы.

В Алтайском Крае обнаружено содержание ртути (превышающее ПДК в 1,6 - 3,6 раза), мышьяка, марганца, хрома, следы свинца и кадмия, высокая жесткость. Питьевая вода не всегда отвечает требованиям СанПиН по органолептическим признакам. Высокая перманганатная окисляемость свидетельствует о загрязнении органическими соединениями.

В настоящее время в России производится и реализуется большое количество не соответствующей установленным требованиям питьевой воды, расфасованной в емкости, в том числе для детского питания. Об этом говорится в постановлении «Об усилении надзора за производством и оборотом минеральной и питьевой воды», подписанном главой Роспотребнадзора, главным санитарным врачом РФ Геннадием Онищенко и опубликованном на официальном сайте Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека.

Учитывая сложное положение с обеспечением населения РФ питьевой водой, Госстрой России совместно с заинтересованными министерствами и ведомствами разработал проект федерального закона «О питьевой воде», в котором предусматриваются требования к надежности источников водоснабжения, экономические рычаги управлением качества водоисточников, гарантии прав граждан на обеспечение питьевой водой нормативного качества и в нормальном количестве.

Существующие технологии водоподготовки не отвечают современному уровню загрязнения водоисточников. Для улучшения качества воды требуется отказ от ее предварительного хлорирования, применение сильных окислителей (перекиси водорода, озона), новых коагулянтов и флокулянтов, новых фильтрующих материалов.

Критерии качества воды

Достоверность и надежность критериев качества воды зависит от нескольких факторов:

1. Основополагающей концепции нормирования качества воды

2. Цели использования природной воды:

- для питьевого водопотребления;

- в качестве приемника сточных вод;

- для нужд сельского хозяйства и отраслей промышленности;

- в качестве рекреационного объекта;

- для разведения рыб и гидробионтов.

Очевидно, что по мере развития человеческого общества основополагающая концепция должна эволюционировать в связи с необходимостью давать ответы на новые вопросы и проблемы.

Основные факторы, определяющие выбор стандартов качества питьевой воды

В качестве первых санитарно - гигиенических характеристик пресной воды использовались органолептические показатели, которые были основаны на интенсивности восприятия органами чувств физических свойств воды. В настоящее время в эту группу в качестве нормативных характеристик входят:

- запах при 20 є С и подогреве до 60 є С, балл;

- цветность по шкале, градус;

- прозрачность по шкале, см;

- мутность по стандартной шкале, мг/дм³;

- окраска окрашенного столбца (отсутствие водных организмов и пленки).

В качестве фундаментальной основы для разработки ПДК всех видов загрязняющих веществ используется концепция порогового воздействия токсикантов на организм. При проведении систематических биогеохимических исследований было установлено наличие трех областей на кривой функциональной зависимости между дозой (концентрацией токсического вещества) и эффектом (негативными последствиями на организм).

При малых количествах потребления токсиканта либо безвредно для организма, либо стимулирует его жизнедеятельность

В области средних концентраций существует оптимальный диапазон, в котором организм способен регулировать взаимодействие с окружающей средой.

Дальнейший рост концентрации вещества в воде может стать причиной подавления жизнедеятельности организма.

Для обеспечения качества воды в водоисточниках и системах водопотребления используется ряд нормативных документов, основанных на значениях ПДК, из которых главными являются следующие:

- ГОСТ 2874 - 82 «Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством».

- ГОСТ 2761 - 84 «Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения. Гигиенические, технические требования и правила выбора».

- «Санитарные нормы предельно-допустимого содержания вредных веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового использования» СанПиН 42 - 121 - 4130 - 88.

- «Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнения». СанПиН 4630 - 88

- «Водный кодекс РФ», 1997 год

Вода - это великая ценность для человечества, и в век информационных технологий, развитой промышленности и постоянного роста численности населения необходимо задуматься о том, что все природные блага мы не получаем в наследство от своих предков, а берем взаймы у своих потомков. И от качества той питьевой воды, которая течет из - под крана напрямую зависит здоровье поколений.

Поэтому необходимо создание большего количества очистных сооружений и улучшение качества питьевой воды.

В селе Окунёво вообще нет очистных сооружений, что негативно влияет на здоровье людей, проживающих в этой местности.

Создание пунктов очистки питьевой воды поможет улучшить качество этой самой воды и предотвратит возникновение ряда различных заболеваний, связанных с употребление недоброкачественной воды населением.

1.2 Методы очистки воды

1.2.1 Классификация методов очистки воды

Классификация методов очистки воды приведена в таблице 1.

Таблица 1 - Классификация методов очистки воды

№ п/п групп пы	Группы методов	№ подгруппы	Подгруппы методов
1	Основанные на выделении загрязнений	1.1 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 1.1.5 1.1.6 1.1.7 1.1.8 1.1.9 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5 1.2.6	Непосредственное выделение загрязнений из воды: механическое удаление крупных загрязнений на решётках, сетках, ситах микропроцеживание отстаивание и осветление применение гидроциклонов центрифугирование фильтрование флотация электрофорез мембранные методы (электроидиализ, обратный осмос, ультрафильтрация) Выделение загрязнений при изменении фазового состояния воды или загрязнений: отгонка выпаривание коалесценция экстракция сорбция коагуляция
2	Основанные на превращении загрязнений	2.1 2.2 2.3 2.4 2.5	Образование труднорастворимых соединений Образование малодиссоциированных соединений Синтез и разложение Окислительно-восстановительные процессы (в том числе электрохимические)
3	Биохимические	-	-

1.2.2 Механические методы очистки

Механические методы очистки воды основаны на процедурах процеживания, фильтрования, отстаивания, инерционного разделения.

Позволяют отделить нерастворимые примеси.

По стоимости механические методы очистки относятся к одним из самых дешёвых методов.

Процеживание. Процеживание сточных вод осуществляют путём их пропускания через решётки с целью извлечения из них крупных примесей, которые могут засорить трубы и каналы. Схема решётки представлена на рисунке 1.1.

Рис. 1.1 - Схема решётки механической.

1 - решётка из металлических стержней; 2 - механизм для снятия задержанных решёткой загрязнений; 3 - транспортер для подачи задержанных загрязнений в дробилку.

Решётка представляет собой металлическую раму, внутри которой установлен ряд параллельных стержней, поставленных на пути движения сточных вод. Расстояние между стержнями обычно составляет шестнадцать миллиметров. Снятые отходы по транспортёру отправляются в дробилку. Измельченные отходы сбрасывают в поток сточной воды за решеткой или направляют на переработку.

В последнее время получили распространение решётки, совмещенные с дробилками, позволяющие извлекать и измельчать примеси без извлечения их из воды.

Пескоулавливание. Из общего количества загрязнений, содержащихся в сточной воде, 5 - 10 % составляют нерастворённые минеральные загрязнения, из них 70 - 90 % - песок. Наличие песка в воде и в осадке отрицательно влияет на работу очистных сооружений, приводит к быстрому износу насосов и очистительного оборудования, затрудняет выгрузку осадка из сооружений и транспортирование его по трубам. Пескоулавливание осуществляют путём пропускания сточных вод через песколовки, позволяющие отделять от воды минеральные частицы размером более 200 мкм. Их устанавливают при производительности очистных сооружений свыше 100 м³/сут.

В зависимости от характера движения воды песколовки подразделяются на горизонтальные с круговым и прямолинейным движением воды, вертикальные и с вращательным движением воды (аэрируемые и тангенциальные).

Горизонтальные песколовки представляют собой уширенные каналы, в которых под действием силы тяжести песок выпадает в осадок. Скорость течения воды составляет 0,15-0,3 м/с. Продолжительность пребывания воды в сооружении 0,5-1 мин. Производительность горизонтальных песколовок с круговым движением воды составляет 1400-70000 м³/сут, а с прямолинейным движением воды 70000-280000 м³/сут.

Рис. 2. Схема горизонтальной песколовки с прямолинейным движением воды: 1 - входной патрубок; 2 - корпус песколовки; 3 - шламосборник (песковой приямок), 4 - выходной патрубок.

Схема горизонтальной песколовки с прямолинейным движением воды представлена на рис. 2. Она работает следующим образом. Поток сточной воды поступает в неё через входной патрубок. Осаждающиеся в процессе движения воды твёрдые частицы скапливаются в шламосборнике и на дне песколовки. Очищенная сточная вода удаляется через выходной патрубок и направляется на дальнейшую обработку.

Вертикальные песколовки представляют собой цилиндрические или призматические резервуары с подводом воды в основание сооружения. Вода в вертикальных песколовках движется вертикально вверх. Скорость восходящего потока равна 0,02-0,05 м/с, а продолжительность пребывания

Тангенциальные песколовки имеют форму круглую в плане с подводом воды по касательной к наружной стенке сооружения. Таким образом вода приобретает дополнительное вращательное и винтовое движение, что способствует более интенсивному выпадению песка из сточной воды. При этом органические загрязнения с малой плотностью поддерживаются во взвешенном состоянии и не выпадают в осадок.

Аэрируемые песколовки представляют собой удлиненные резервуары, по одной стенке которых установлены аэраторы. Аэрация жидкости создаёт вращательное движение воды в песколовке. Вращательное и поступательное движения образуют винтовое движение потока. Постоянство скоростей движения и вращательное движение воды исключают выпадение в осадок органических примесей. Благодаря этому время пребывания воды в них можно значительно увеличить, что будет способствовать улавливанию песка с диаметром частиц менее 0,25 мм и повышению эффекта работы песколовки.

Аэрируемые песколовки применяются для выделения из сточной воды минеральных частиц гидравлической крупностью 13-18 мм/с. Скорость течения воды в них составляет 0,08-0,12 м/с.

1.2.3 Усреднение

Для регулирования состава и расхода сточных вод, поступающих на очистные сооружения, применяют их усреднение.

Поступление на очистные сооружения производственных сточных вод с постоянным расходом и усреднённой концентрацией загрязнений позволяет повысить эффективность и надёжность работы устройств механической, биологической и физико-химической очистки, в результате чего достигаются более высокие качественные показатели очищенной воды.

Экономичсский эффект достигается в связи с выравниванием пиковых концентраций и расходов сточных вод, поступающих на очистку.

Сооружения для усреднения сточных вод называют усреднителями. Конструктивно они представляют собой прямоугольные резервуары, изготовленные из железобетона. Усреднение в них достигается за счёт дифференцирования потока воды, который, поступая в усреднитель, делится на ряд потоков, протекающих по коридорам разной длины.

Схема прямоугольного усреднителя концентрации сточных вод представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема прямоугольного усреднителя концентрации сточных вод: 1 - входной патрубок; 2 - диагональная перегородка; 3 - коридоры; 4 - сборные лотки; 5 - выпускная камера; 6 - выходной патрубок; 7 - жёлоб для подачи сточных вод, 8 - рас предел отельный колодецю

Принцип работы данного усреднителя заключается в следующем: сточная вода попадает в распределительный колодец 8, из которого по желобам 7 направляется в коридоры 3 усреднителя и собирается затем в диагональные сборные лотки 4, и далее поступает в выпускную камеру 5. Эффективность усреднения по концентрации загрязнений достигается за счёт разного времени поступления отдельных порций сточной воды к сборному лотку. Типовой прямоугольный усреднитель состоит из 4-6 параллельно расположенных коридоров.

Кроме усреднителей с дифференцированием потока сточных вод при очистке стоков применяют усреднители барботажного типа суммарной вместимостью 600, 900, 1200, 1500 и 1800 м³ а также радиальные отстойники-усреднители, в которых совмещены процессы отстаивания и усреднения сточной воды по концентрации загрязнений.

1.2.4 Устройства для выделения из сточных вод нерастворимых примесей под действием гравитационных сил

Для очистки гальванических сточных вод, содержащих суспензии, применяют процесс отстаивания. Суспензии представляют собой неоднородные системы, состоящие из жидкости и взвешенных в ней твёрдых частиц.

Очистка сточных вод при отстаивании происходит в результате гравитационного осаждения грубо- и тонкодисперсных нерастворимых загрязнений неоднородного или однородного состава с плотностью больше плотности воды, либо в результате всплытия загрязнений с плотностью меньше плотности воды. Степень очистки загрязнений определяется в первую очередь степенью их дисперсности и формой, а также вязкостью сточной воды и разностью плотностей твердой и жидкой фаз.

Отстойники - основной элемент каждых очистных сооружений. Их применяют:

· при химической очистке сточных вод;

· при оборотно-повторной системе водоиспользования;

· при предварительной механической очистке сточных вод.

Для осаждения нерастворимых загрязнений из гальванических сточных вод используют вертикальные, горизонтальные и радиальные отстойники непрерывного действия (проточные). Кроме того, получили распространение тонкослойные (трубчатые и пластинчатые) отстойники. Основные схемы отстойников представлены на рис. 4-8.

Кроме отстойников для механической очистки воды наиболее часто используются также осветлители и нефтеловушки.

Рис.4. Схема горизонтального отстойника

Рис.5. Схема вертикального отстойника

Рис. 6. Схема пластинчатого отстойника



Рис.7. Схема радиального отстойника

Рис.8. Схема трубчатого отстойника: с малым наклоном трубок (а); с большим наклоном трубок (б).

1.2.5 Устройства для выделения из сточных вод нерастворимых примесей под действием центробежных сил

Для разделения неоднородных систем в поле центробежных сил жидких дисперсных систем могут применяться гидроциклоны и центрифуги. Гидроциклоны используют в основном для выделения из сточных вод тяжёлых примесей, а центрифуги для выделения составляющих фаз из двухкомпонентных (суспензий, эмульсии) и трёхкомпонентных (эмульсии, содержащие твёрдую фазу) систем.

Действие гидроциклонов основано на выделении твёрдых частиц из вращающегося потока воды под действием центробежной силы. При высоких скоростях вращения жидкости в гидроциклоне величина центробежной силы, действующей на частицы, значительно (в сотни раз) превышает величину гравитационной силы.

Гидроциклоны бывают открытые и напорные. Открытые гидроциклоны используют для выделения всплывающих и плохо оседающих грубодисперсных загрязнений, скоагулированных взвешенных веществ.

Напорные гидроциклоны используют для очистки сточных вод от грубодисперсных примесей (в основном минерального происхождения), таких как песок, уголь, окалина, компоненты керамики, стекла, строительных материалов, а также отходов литейного, горнорудного, асбестоце-ментного, химического и металлургического производств.

1.2.6 Фильтрование

Фильтрование - разделение суспензий в специальных аппаратах - фильтрах, снабжённых пористыми фильтровальными перегородками, которые пропускают жидкость, но задерживают твёрдую фазу. Движущая сила процесса - разность давлений Др по обе стороны фильтровальной перегородки.

Методом фильтрования осуществляются следующие процессы:

разделение суспензий - отделение содержащихся в них твердых частиц, отлагаемых на фильтровальной перегородке (осадок), через которую проходит подавляющее количество сточной воды (фильтрат);

сгущение суспензий - повышение в них концентрации твёрдой фазы путём удаления через фильтровальную перегородку некоторой части сточной воды;

осветление сточной воды - очистка от содержащихся в ней небольшого количества тонких взвесей;

промывка осадка - замена фильтрата в порах осадка чистым растворителем;

обезвоживание осадка - удаление жидкой фазы (фильтрата или промывной жидкости) из пор осадка.

Фильтрование можно интенсифицировать путём повышения температуры суспензии, давления (ограничения - сжимаемость осадка, конструктивные возможности фильтра, прочность фильтровальной перегородки), уменьшения толщины слоя осадка (ограничение - условия его съёма), рационального подбора фильтровальной перегородки и способа её регенерации, а также снижением удельного сопротивления осадка.

Фильтровальная перегородка представляет собой основную часть фильтра, и от правильного выбора её во многом зависит производительность фильтровального оборудования и чистота получаемого фильтрата. Фильтровальная перегородка в процессе фильтрования должна удовлетворять следующим основным требованиям: обладать хорошей задерживающей способностью, минимальным гидравлическим сопротивлением, химической стойкостью, механической прочностью, большой пористостью и равномерным распределением пор по размерам, легко регенерироваться, сохранять проницаемость при многократном фильтровании.

1.3 Химические методы очистки

Для очистки сточных вод гальванических производств наиболее часто применяют химические методы. К ним относят следующие: нейтрализация, химическое осаждение, окисление и восстановление. Все эти методы связаны с применением в процессах водоочистки химических веществ или реагентов (кислоты, щёлочи, коагулянты, флокулянты, окислители и т.п.).

Химическая очистка может применяться как самостоятельный метод перед подачей сточных вод в систему оборотного водоснабжения, так и перед спуском их в водные объекты. Кроме того, химические методы в ряде случаев целесообразно применять для предварительной очистки стоков перед сорбционной, мембранной, биологической или другими методами, а также в системах локальной очистки. Химическая обработка находит применение и как метод извлечения из сточных вод различных компонентов, и в первую очередь тяжёлых металлов.



1.3.1 Нейтрализация

Для предупреждения коррозии трубопроводов, оборудования очистных сооружений, нарушения биохимических процессов в биологических системах очистки и водоёмах гальванические сточные воды, содержащие кислоты и щёлочи, перед сбросом их в водные объекты или перед последующим использованием в технологических процессах нейтрализуют.

Наиболее типичная реакция нейтрализации в водных средах происходит между гидратированными ионами водорода и ионами гидроксила:

H⁺ + ОН^- > Н₂О

В результате реакции нейтрализации активная реакция водной среды (рН) приближается к 7.

При химической очистке применяют следующие способы нейтрализации гальванических сточных вод:

· взаимная нейтрализация кислых и щёлочных сточных вод;

· нейтрализация реагентами;

· фильтрование сточных вод через нейтрализующие материалы.

Выбор способа нейтрализации сточных вод зависит от многих факторов: вида и концентрации кислот и щелочей, содержащихся в сточных водах, расхода и режима поступления стоков, наличия реагентов для нейтрализации стоков, местных условий и т.п.

1.3.2. Химическое осаждение

Известно, что соединения условно можно разделить на растворимые и практические нерастворимые. Растворимость первых составляет примерно 1 г вещества в 100 мл растворителя (воды), а вторых - менее 0,1 г вещества в 100 мл растворителя. Соединения, занимающие промежуточное положение между ними, называют малорастворимыми или труднорастворимыми.

К труднорастворимым соединениям относятся:

- гидроксиды металлов за исключением гидроксидов щелочных металлов, аммония и бария;

- средние карбонаты и фосфаты за исключением соответствующих соединений щелочных металлов;

- сульфиды металлов, кроме сульфидов щелочных и щелочноземельных металлов.

При выборе реагентов для выделения загрязнений из воды в виде осадков необходимо исходить из растворимости S (г/л или моль/л) образующихся соединений, которая может быть охарактеризована произведением растворимости ПР. Чем меньше значение ПР соединения, тем больше равновесие смещается в сторону его образования.

Присутствие в сточной воде избытка общею катиона в 100-1000 раз уменьшает растворимость соединения, в то время как солевой эффект, приводящий к увеличению растворимости соединения, сказывается в гораздо меньшей степени (в 1-2 раза).

1.3.3 Очистка окислением

Окислительный метод очистки применяют для обезвреживания сточных вод, содержащих токсичные загрязнения (простые и комплексные цианиды, органические красители, фенол и др.)

В результате добавления к сточным водам реагента-окислителя состояние веществ как в реагенте, так и в сточных водах изменяется. Чтобы одно вещество было окислено, другое должно быть восстановлено. Окисление может быть определено как потеря электронов, а восстановление - как приобретение электронов. Степень окисления веществ зависит от рН среды и природы применяемого окислителя. При использовании сильных окислителей ряд органических веществ окисляется полностью до простых соединений - СО₂, Н₂О и др. При использовании умеренных окислителей окисление проходит не полностью. В практике очистки сточных вод используют следующие окислители: хлор и его соединения (газообразный и сжиженный хлор, диоксид хлора, хлорат кальция, гипохлориты кальция и натрия), перманганат калия, пероксид водорода, кислород воздуха, пероксосерные кислоты, озон, пиролюзит и др. Схематично увеличение окислительной активности вещества может быть представлена в ряду:

KMnO₄<H₂O₂<Cl₂<O₃

Очистка окислителями связана с большим расходом реагентов, поэтому её применяют только в тех случаях, когда вещества, загрязняющие сточные воды, нецелесообразно или невозможно перевести из токсичного соединения в нетоксичное другими способами (например, при очистке от цианидов, нитритов, красителей, фенолов и других соединений).

1.3.4 Очистка восстановлением

Способы восстановительной очистки используют в тех случаях, когда сточные воды содержат легко восстанавливаемые токсичные соединения шестивалентного хрома, красителей, ПАВ, и др.

В практике очистки сточных вод наибольшее распространение нашли различные модификации реагентного метода, отличающиеся реагентами-восстановителями.

1.4 Физико-химические методы очистки

К физико-химическим методам очистки сточных вод относят коагуляцию, флотацию, адсорбцию, ионный обмен, экстракцию, ректификацию, выпаривание, дистилляцию, обратный осмос и ультрафильтрацию, кристаллизацию, десорбцию и др. Эти методы используют для удаления из сточных вод тонкодисперсных взвешенных твердых и жидких частиц, растворимых газов, минеральных и органических веществ.

Использование физико-химических методов для очистки сточных вод по сравнению с биохимическим имеет ряд преимуществ:

возможность удаления из сточных вод токсичных, биохимически неокисляемых органических загрязнений;

достижение более глубокой и стабильной степени очистки;

меньшие размеры сооружений;

меньшая чувствительность к изменениям нагрузок;

возможность полной автоматизации;

более глубокая изученность кинетики некоторых процессов, а также вопросов моделирования, математического описания и оптимизации, что важно для правильного выбора и расчета аппаратуры;

методы не связаны с контролем за деятельностью живых организмов;

возможность рекуперации различных веществ.

Выбор того или иного метода очистки (или нескольких методов) производят с учетом санитарных и технологических требований, предъявляемых к очищенным производственным сточным водам с целью дальнейшего их использования, а также с учетом количества сточных вод и концентрации загрязнений в них.

Это высокопроизводительный способ очистки, отличающийся высокой стоимостью. Позволяет очистить сточные воды от мелко- и грубодисперсных частиц, а также растворённых соединений.

1.4.1 Коагуляция и флокуляция загрязнений сточных вод

Скорость осаждения частиц будет возрастать с увеличением размера частиц. Для ускорения отстаивания используют коагуляцию частиц, т.е. укрупнение их с помощью вводимых в суспензию коагулянтов, в результате чего под действием молекулярных сил сцепления происходит слипание мелких частиц в крупные конгломераты (хлопья, флокулы).

Коагуляция - это процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты. В очистке сточных вод ее применяют для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ. Коагуляция наиболее эффективна для удаления из воды коллоидно-дисперсных частиц, т.е. частиц размером 1...100 мкм. Коагуляция может происходить самопроизвольно или под влиянием химических и физических процессов. В процессе очистки сточных вод коагуляция происходит под влиянием добавляемых к ним специальных веществ - коагулянтов. Коагулянты в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под действием силы тяжести. Хлопья обладают способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их. Так как коллоидные частицы имеют слабый отрицательный заряд, а хлопья коагулянтов - слабый положительный заряд, то между ними возникает взаимное притяжение.

Кроме коагулянтов к осветляемой жидкости добавляют небольшие количества флокулянтов, способствующих слипанию агрегативно неустойчивых твердых частиц.

Флокуляция - это процесс агрегации взвешенных частиц при добавлении в сточную воду высокомолекулярных соединений, называемых флокулянпа-ми. В отличие от коагуляции при флокуляции агрегация происходит не только при непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия молекул адсорбированного на частицах флокулянта.

Флокуляцию проводят для интенсификации процесса образования хлопьев гидроксидов алюминия и железа с целью повышения скорости их осаждения. Использование флокулянтов позволяет снизить дозы коагулянтов, уменьшить продолжительность процесса коагуляции и повысить скорость осаждения образующихся хлопьев.

1.4.2 Флотационная очистка сточных вод

Флотация - процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела газа и жидкости, обусловленный избытком свободной энергией поверхностных пограничных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания.

Флотацию применяют для удаления из сточных вод нерастворимых дисперсионных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются, а также для удаления растворенных веществ, например, поверхностно-активных веществ (ПАВ). Процесс очистки сточных вод от ПАВ называют пенной сепарацией или пенным концентрированием. Флотацию применяют для очистки сточных вод нефтеперерабатывающих производств, искусственного волокна, целлюлозно-бумажного, кожевенного, пищевых, химических производств. Ее используют также для выделения активного ила после биохимической очистки.

Достоинствами флотации являются непрерывность процесса, широкий диапазон применения, невысокие капитальные и эксплуатационные затраты, простая аппаратура, селективность выделения примесей, большая скорость процесса по сравнению с отстаиванием, возможность получения шлама более низкой влажности, высокая степень очистки (95...98%), возможность рекуперации удаляемых веществ. Флотация сопровождается также аэрацией сточных вод, снижением концентрации ПАВ и легкоокисляемых веществ, бактерий и микроорганизмов.

1.4.3 Очистка сточных вод адсорбцией

Адсорбционные методы широко применяются для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках, если концентрация этих веществ в воде невелика и они биологически не разлагаются или являются сильнотоксичными.

Адсорбцию используют для обезвреживания сточных вод от фенолов, гербицидов, пестицидов, ароматических нитросоединений, ПАВ, красителей. Достоинством метода является высокая эффективность, возможность очистки сточных вод, содержащих несколько веществ, а также рекуперации этих веществ.

Адсорбционная очистка вод может быть регенеративной, т.е. с извлечением вещества из адсорбента и его утилизацией, и деструктивной, при которой извлеченные из сточных вод вещества уничтожаются вместе с адсорбентом. Эффективность адсорбционной очистки достигает 80.95 % и зависит от химической природы адсорбента, величины адсорбционной поверхности, от химического строения извлекаемого вещества и его состояния в растворе.

Адсорбенты. В качестве сорбентов используют активные угли, синтетические сорбенты и некоторые отходы производства (золу, шлаки, опилки). Наиболее универсальными из адсорбентов являются активные угли, но они должны обладать определенными свойствами. Активные угли должны слабо взаимодействовать с молекулами воды и хорошо - с органическими веществами, быть относительно крупнопористыми, чтобы их поверхность была доступна для органических молекул. При малом времени контакта с водой они должны иметь высокую адсорбционную емкость, высокую селективность и малую удерживающую способность при регенерации. Угли должны быть прочными, быстро смачиваться водой, иметь определенный гранулометрический состав. В процессе очистки используют мелкозернистые адсорбенты с частицами размером 0,25.0,5 мм и высокодисперсные угли с размером частиц менее 40 мкм.

Скорость процесса адсорбции зависит от концентрации, физико-химической природы и структуры растворенных веществ, температуры воды, вида и свойств адсорбента. В общем случае процесс адсорбции складывается из 3-х стадий: переноса вещества из сточной воды к поверхности зерен адсорбента (внешнедиффузионная область), собственно адсорбционный процесс, перенос вещества внутри зерен адсорбента (внутридиффузионная область). Лимитирующими стадиями процесса может быть внешняя или внутренняя диффузия, либо обе эти стадии.

Адсорбционные установки. Процесс адсорбционной очистки сточной воды ведут при интенсивном перемешивании адсорбента с водой, при фильтровании воды через слой адсорбента или псевдоожиженном слое на установках периодического и непрерывного действия. При смешивании адсорбента с водой используют активный уголь в виде частиц 0,1 мм и меньше. Процесс проводят в одну или несколько ступеней.

Ионообменная очистка применяется для извлечения из сточных вод тяжелых металлов (цинка, меди, хрома, никеля, свинца, ртути, кадмия, ванадия, марганца), а также соединений мышьяка, фосфора, цианистых соединений и радиоактивных веществ. Метод позволяет рекуперировать ценные вещества при высокой степени очистки воды. Ионный обмен широко распространен при обессоливании в процессе водоподготовки.

Сущность ионного обмена. Ионный обмен представляет процесс взаимодействия раствора с твердой фазой, обладающей свойствами обменивать ионы, содержащиеся в ней, на другие ионы, присутствующие в растворе. Вещества, составляющие эту твердую фазу, называются ионитами. Они практически не растворимы в воде. Те из них, которые способны поглощать из растворов электролитов положительные ионы, являются катионитами, поглощать отрицательные ионы - анионитами. Катиониты обладают кислотными свойствами, а аниониты - основными свойствами. Если иониты обменивают и катионы, и анионы, их называют амфотерными.

Свойства ионитов. При нагревании ионитов в воде и на воздухе возможно разрушение их зерен, отщепление активных групп, что приводит к уменьшению их емкости. Для каждой смолы имеется температурный предел, выше которого ее использовать нельзя. Термическая устойчивость анионитов ниже, чем катионитов.

1.4.4 Электрохимические методы очистки сточных вод

Для очистки сточных вод от различных растворимых и диспергированных примесей применяются процессы анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляции, электрофлокуляции и электродиализа. Все эти процессы протекают на электродах при прохождении через сточную воду постоянного электрического тока (рис. 6.14). Электрохимические методы позволяют извлекать из сточных вод ценные продукты при относительно простой технологической схеме очистки, без использования химических реагентов. Основным недостатком этих методов является большой расход электроэнергии. Очистку сточных вод электрохимическими методами можно проводить периодически или непрерывно.

Рис. 6.14. Схема электролизера.

1 - корпус, 2 - анод, 3 - катод, 4 - диафрагма.

При прохождении сточной воды через межэлектродное пространство электролизера происходит электролиз воды, поляризация частиц, электрофорез, окислительно-восстановительные процессы, взаимодействие продуктов электролиза друг с другом.

Эффективность электрохимических методов оценивается плотностью тока, напряжением, коэффициентом полезного использования напряжения, выходом по току, выходом по энергии.

1.5 Биологические методы очистки

В основе этих методов лежит использование микроорганизмов, поглощающих загрязнители сточных вод. Применяются биофильтры с тонкой бактериальной плёнкой, биологические пруды с населяющими их микроорганизмами, аэротенки с активным илом из бактерий и микроорганизмов.

1.5.1 Основные показатели биохимической очистки сточных вод

Контактируя с органическими веществами, микроорганизмы частично разрушают их, превращая в воду, диоксид углерода, нитрит- и сульфат-ионы и др. Другая часть вещества идет на образование биомассы. Разрушение органических веществ называют биохимическим окислением.

Биохимические показатели. Сточные воды, направляемые на биохимическую очистку, характеризующуюся величиной БПК и ХПК. БПК - это биохимическая потребность в кислороде, т.е. количество кислорода, использованного при биохимических процессах окисления органических веществ (не включая процесса нитрификации) за определенный промежуток времени (2, 5, 8, 10, 20 суток), в мг О₂ на 1 мг вещества. Например БПК₅ - биохимическая потребность в кислороде за 5 сут, БПК_полн - полная БПК до начала процесса нитрификации. ХПК - химическая потребность в кислороде, т.е. количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей, содержащихся в воде. ХПК также выражают в мг О2 на 1 мг вещества.

Биохимической активностью микроорганизмов называют биохимическую деятельность, связанную с разрушением органических загрязнений сточных вод. Возможность биохимического окисления (биоразлагаемость сточных вод) характеризуется через биохимический показатель, т.е. отношением БПКполн/ХПК. Его значение колеблется в широких пределах для различных групп сточных вод: промышленные сточные воды имеют низкий биохимический показатель (0,05...0,3), бытовые сточные воды - свыше 0,5. При отношении (БПК/ХПК)100% = 50% вещества поддаются биохимическому окислению. При этом необходимо, чтобы сточные воды не содержали ядовитых веществ и примесей солей тяжелых металлов. Биохимический показатель необходим для расчета и эксплуатации промышленных сооружений для очистки сточных вод.

Для возможности подачи сточных вод на биохимическую очистку устанавливают максимальные концентрации токсичных веществ, которые не влияют на процессы биохимического окисления (МК_б) и на работу очистных сооружений (МК_бос). Для неорганических веществ, которые практически не поддаются биохимическому окислению, также устанавливают максимальные концентрации, при превышении которых воду нельзя подвергать биохимической очистке.

1.5.2 Аэробный метод биохимической очистки

Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки сточных вод. Аэробный метод основан на использовании аэробных групп организмов, для жизнедеятельности которых необходим постоянный приток кислорода и температура 20...40°С. При аэробной очистке микроорганизмы культивируются в активном иле или биопленке. Анаэробные методы очистки протекают без доступа кислорода; их используют в основном для обезвреживания осадков.

Активный ил состоит из живых организмов и твердого субстрата. Сообщество всех живых организмов (скопления бактерий, простейшие черви, плесневые грибы, дрожжи, актиномицеты, водоросли), населяющих ил, называют биоценозом. Активный ил представляет собой амфотерную коллоидную систему, имеющую при рН = 4.. .9 отрицательный заряд. Сухое вещество активного ила содержит 70...90 % органических и 30...10 % неорганических веществ. Субстрат представляет собой твердую отмершую часть остатков водорослей и различных твердых остатков; к нему прикрепляются организмы активного ила. Субстрат составляет до 40 % в активном иле.

В активном иле находятся микроорганизмы различных групп. По экологическим группам микроорганизмы делятся на аэробов и анаэробов, термофилов и мезофилов, галофилов и галофобов.

Качество ила определяется скоростью его осаждения и степенью очистки жидкости. Состояние ила характеризует "иловый индекс", который представляет собой отношение объема осаждаемой части активного ила к массе высушенного осадка (в граммах) после отстаивания в течение 30 мин. Чем хуже оседает ил, тем более высокий "иловый индекс" он имеет.

Биопленка растет на наполнителе биофильтра, она имеет вид слизистых обрастаний толщиной 1...3 мм и более. Биопленка состоит из бактерий, грибов, дрожжей и других организмов. Число микроорганизмов в биопленке меньше, чем в активном иле.

1.5.3 Механизм биохимического распада органических веществ

Прирост биомассы происходит в процессе очистки сточных вод. Он зависит от химической природы загрязнений, вида микроорганизмов, БПК и ХПК, от концентрации фосфора и азота в сточной воде, от ее температуры.

Для того, чтобы происходил процесс биохимического окисления органических веществ, находящихся в сточных водах, они должны попасть внутрь клеток микроорганизмов. К поверхности клеток вещества поступают за счет конвективной и молекулярной диффузии, а во внутрь клеток - диффузией через полупроницаемые цитоплазматические мембраны. Но большая часть вещества попадает внутрь клеток при помощи специфического белка-переносчика. Образующийся растворимый комплекс "вещество-переносчик" диффундирует через мембрану в клетку, где он распадается, и белок-переносчик включается в новый цикл переноса вещества.

Основную роль в процессе очистки сточных вод играют процессы превращения вещества, протекающие внутри клеток микроорганизмов. Эти процессы заканчиваются окислением вещества с выделением энергии и синтезом новых веществ с затратой энергии.

1.5.4 Обработка осадков сточных вод

В процессах биохимической очистки в первичных и вторичных отстойниках образуются большие массы осадков, которые необходимо утилизировать или обрабатывать с целью уменьшения загрязнения биосферы. Осадки, имеют разный состав и большую влажность. Их подразделяют на 3 группы:

осадки в основном минерального состава;

осадки в основном органического состава;

смешанные осадки, содержащие как минеральные, так и органические вещества.

Осадки характеризуются содержанием сухого вещества (в г/л или в %); содержанием беззольного вещества (в % от массы сухого вещества); элементным составом; кажущейся вязкостью и текучестью; гранулометрическим составом.

Осадки сточных вод представляют собой труднофильтруемые суспензии. Во вторичных отстойниках в осадке находится в основном избыточный активный ил, объем которого в 1,5.. .2 раза больше, чем объем осадка из первичного отстойника. Удельное сопротивление осадка (r = 72-10¹⁰...78,6-10¹² см/г) является одним из определяющих показателей для выбора метода обработки осадков. В осадках содержится свободная (60.65 %) и связанная (30...35%) вода. Свободная вода сравнительно легко может быть удалена из осадка, связанная вода (коллоидно-связанная и гигроскопическая) гораздо труднее. Коллоидно-связанная влага обволакивает твердые частицы гидрат-ной оболочкой и препятствует их соединению в крупные агрегаты.