Наиболее простой и надежной является локальная ионообменная очистка хромсодержащих сточных вод с подпиткой системы обессоленной водой из автономного источника. При этом прирост солей в промывной воде (их природа и соотношение отдельных ионов) соответствует составу электролита, что позволяет повторно использовать не только воду, но и электролит. Выбор оптимального варианта требует учета конкретных обстоятельств, складывающихся в производстве.

Сорбционные фильтры

очистка сточный вода микрофильтрация

Угольные фильтры и процессы сорбции на активированном угле

Сточные воды населенных пунктов образуются в результате жизнедеятельности людей - бытовые сточные воды (фекальные отходы, остатки пищи, моющие вещества, частицы грунта, бытовой мусор) и в производственной сфере - производственные сточные воды (технологические отходы, остатки сырья).

Бытовые сточные воды в каждом населенном пункте единообразны, а именно: сточные воды от туалета (содержащие фекальные массы, бумагу, моющие вещества), ванны, стирки белья (содержащие большое количество синтетических поверхностно-активных веществ), приготовления пищи, мытья посуды, уборки помещения и т.п. Изучение типа и количества сточных вод по каждому виду названных статей расхода показало, что в среднем на кухонные нужды (приготовление пищи, мытье посуды) приходится 15-20% сточных вод от семьи, ванну и душ 20-25%, туалетный смыв - до 35%, стирка белья - до 20%. Туалетный и кухонный сток являются источником до 75% загрязнения бытовых сточных вод.

Загрязнения в сточных водах находятся в виде взвесей, коллоидов и растворов. До 40% загрязнений составляют минеральные вещества: частицы грунта, пыли, минеральные соли, такие как фосфаты, азот аммонийный, хлориды, сульфаты и др.

Органические загрязнения очень разнообразны и образуются за счет поступлений отходов жизнедеятельности человека и животных, поступления в воду остатков продуктов питания, сырья. В состав органических загрязнений входят жиры, белки, углеводы, клетчатка, спирты, органические кислоты и т.д.

Содержание органических загрязнений в сточных водах определяется косвенными показателями: ХПК (химическая потребность в кислороде) и БПК (биологическая потребность в кислороде). ХПК выражает количество кислорода, необходимое для полного химического окисления органических веществ загрязнений, находящихся в сточных водах. БПК выражает количество кислорода, необходимое для биологического окисления органических веществ бактериями в аэробных условиях (без расхода кислорода на нитрификацию). Биологическое потребление кислорода для бытовых сточных вод заканчивается примерно через 20 суток (БПКполн), а величина 5-суточного потребления для бытовых сточных вод (БПК5) составляет, как правило, 65-70% от БПКполн, что на практике позволяет значительно сократить время определения этого показателя, и с достаточной степенью точности определить количество органических загрязнений.

Количество загрязнений в бытовых сточных водах, приходящееся на одного человека, определяется в основном физиологическими показателями и составляет примерно (г/сут на 1 человека):

Табл. 6

БПКполн	75
Взвешенные вещества	65
Азот аммонийный	8
Фосфаты	3,3 (из них 1,6 г - за счет моющих веществ)
СПАВ	2,5
Хлориды	9

Таким образом, концентрация загрязнений зависит только от величины водоотведения, которая соответствует степени благоустройства жилья.

Особый вид загрязнения бытовых сточных вод - бактериальный. Сточные воды содержат большое количество бактерий, в том числе патогенных, и вирусов. Патогенные бактерии приспособлены к существованию в организме человека, животных, птиц. Попадая в сточные воды (или непосредственно в водоем), часть этих бактерий гибнет из-за отсутствия специфического субстрата или оптимальной температуры. Часть бактерий сохраняет свою болезнетворную активность в сточной воде или воде водоема. В сточной воде могут содержаться туберкулезные бактерии, лептоспиры, бруцеллы, бактерии туляремии, вибрион холеры и т.п. Все эта бактерии сохраняются в воде в течение разного периода времени. Поэтому в качестве индикаторного показателя фекального загрязнения воды выбрана кишечная палочка Escherichiacoli. Концентрация клеток бактерий группы кишечной палочки в воде определяет степень загрязнения воды бактериями и пригодность ее для использования в качестве питьевой или для культурно-бытовых целей.

Для хозяйственно-бытовых сточных вод характерно повышение содержания минеральных примесей, обусловленные за счет увеличения солей Na и появление в стоках фосфатов, нитратов и т.д. (таблица 7)

Таблица 7. Требования к качеству очищенных вод и условия их сброса в водоемы

Взвешенные вещества	0,3-0,5 г/дм3
БПК5	400-800 мг О2/дм3
ХПК	~60 мг О2/дм3
Жесткость	12,5-25,0 ммоль/дм3
Общее солесодержание	1,5-6,0 г/дм3
Cl-	25,100 г/дм3
PO4-	15-30 г/дм3
ПАВ	1,5-3,0 г/дм3
Жиры:
По олеиновой к-те	8,7 мас %
Полимитиновой к-те	5,5 мас %
Стеариновой к-те	1,1 мас %
Мыло:
Стеонат Na	18,7 мас %
Жирные кислоты	4,8 мас %
Карбомид	37,9 мас %
Криотин	1,4 мас %
Кислоты:
Гипуровая	1,4 мас %
Аминокислоты	0,2 мас %
Лимонная	0,6 мас %
Связанные жиры	9,4 мас %
Фенол	0,2 мас %
Крахмал	9,2 мас %

Требования к эффективности очистки сточных вод определяются общим состоянием природной среды и, в частности, качеством воды в водоемах и водотоках. Каждый водоем в естественном состоянии населен определенным сообществом организмов, состав и интенсивность энергетического обмена которого определяется климатическими и биотическими факторами. Ни одно сообщество организмов не бывает совершенно стабильным в течение времени. Отмирающие организмы непрерывно замещаются другими. В результате внешних воздействий может произойти появление в данном биоценозе других видов, более приспособленных к изменившимся условиям. В сходных местах обитания существуют сходные сообщества, и в случае их изменения различные виды обычно сменяют друг друга с определенной последовательностью, которую называют сукцессией.

Естественный процесс сукцессии обычно приводит к уменьшению количества воды в водоемах. Этот процесс ускоряется по мере уменьшения глубины водоема. Каждое сообщество наращивает дно путем отложения остатков отмирающих организмов, разложение органических остатков приводит к повышению в воде концентрации органического вещества и биогенных элементов, (азота и фосфора и др.), в результате синтезируется еще больше органического вещества, водоем мелеет, сукцессия продвигается к центру водоема, в конце концов превращая его в болото, а затем в обычный лес.

В естественных условиях сукцессия происходит крайне медленно, в условиях интенсивного антропогенного воздействия "старение" рек и озер происходит в течение десятилетий вместо сотен и тысяч лет их естественной эвтрофикации - явления, заключающегося в повышении уровня продуктивности водных экосистем, сопровождающегося изменением видового состава гидробионтов. В основном этот процесс определяется поступлением в водоемы большого количества органических веществ и биогенных элементов, главным образом азота и фосфора. Самоочищающая способность рек и озер ограничена и при ее превышении накопление органических и биогенных загрязнений увеличивается прогрессивно, что может привести к полной потере способности водоема к самоочищению.

Для оценки самоочищающей способности водоемов в условиях незначительного загрязнения легкоразлагаемым органическим веществом при рассредоточенных выпусках сточных вод достаточно обычных санитарно-гигиенических показателей, определения разбавления сточных вод, изучения кислородного режима водоема. Однако при современных масштабах загрязнения водной среды, плотности распределения его источников, увеличении количества и номенклатуры загрязняющих веществ проблемы самоочищения водоемов существенно обострились. Понятие "самоочищение" подразумевает совокупность физических, химических, биологических и других процессов, приводящих к восстановлению качества воды до уровня, соответствующего водоемам и водотокам, не подвергающимся загрязнению. В конечном счете самоочищение часть природного процесса трансформации вещества и энергии, при котором происходит распад загрязняющих веществ до соединений, включаемых в круговорот вещества и энергии в биосфере. Если происходит снижение концентрации загрязнений в результате простого разбавления, переноса в другие районы акватории и т.п., то это нельзя считать самоочищением.

Основную роль в самоочищении водоемов играют бактерии, обладающие огромным разнообразием форм метаболизма и развивающиеся при крайне разнообразных условиях среды: температуре, рН, концентрациях кислорода, требующих в качестве питательного субстрата только органические или только минеральные вещества и т.д. Именно широкие метаболические возможности бактерий и позволяют вовлекать в круговорот практически все вещества естественного происхождения и многие синтезированные человеком вещества.

В настоящее время в круговороте вещества и энергии в природе большое значение имеет потребление воды на питьевые и хозяйственные нужды, очистка образующихся сточных вод и сброс очищенной воды в водоем. Полвека назад перед сбросом в водоем достаточно было понизить концентрацию взвешенных органических веществ при отстаивании и провести обеззараживание сточных вод, затем ужесточились требования к сбросу в составе сточных вод различных токсических веществ. В настоящее время перечень веществ, имеющих ограничение концентрации при сбросе в водоем, насчитывает более 1300 наименований, предъявляются требования к удалению биогенных элементов, главным образом азота и фосфора.

Таблица 8. Перечень основных предельно допустимых концентраций и показателей относительной опасности вредных веществ

Вещество	ПДК, мг/л, для водоемов	Показатель относительной опасности сброса вещества в водоемы, усл. т/т
	Хозяйственно-питьевого и культурно-бытового пользования	Рыбохозяйственного назначения
Взвешенные вещества	0,25/075*	0,25/9,75**	4/1,33**
Минеральный состав	1000	-	0,001
Растворимый кислород	4	6/4**	0,17/0,25**
БПК	3/6*	3	0,33
Аммиак (по азоту)	2	0,05	20
Барий	0,1	0,001	10
Железо	0,5	0,5/0,05***	2/20***
Калий	-	50	0,02
Калий (двухромовокислый)	-	-	20
Кальций	-	-	0,0055/1,64***
Кремний	10	0,05	20
Магний	-	40/0,94***	0,025/1,06***
Медный купорос	0,001	0,004	250
Медь	1	0,001/0,005***	1000/200***
Мочевина	0,5	-	2
Мышьяк	0,05	0,05/0,01***	20/100***
Натрий	-	120	0,008
Никель	0,1	0,01	100
Нефтепродукты	0,3	0,05	20/20***
Нитраты (по азоту)	10	9,1	0,11
Нитриты	1	-	1
ОПСМ	0,5	-	2
Полиакриламид	2	-	0,5
Ртуть	0,0005	0,002/0,001***	500/1000***
Свинец	0,003	0,1/0,001***	10/100***
Сероуглерод	1	1	2
СПАВ	-	0,5	2
Сульфаты	500	100	0,01
Сурьма	0,05	-	20
Тиомочевина	0,03	1	1
Фенол	0,001	0,001	1000
Фосфор	-	0,1	10
Фтор	1,5	0,05	20
Хлор активный	Отсутствие	Отсутствие	50000
Хлориды	350	300	0,003
Хром (шестивалентный)	0,1	0,001/0,001***	1000/100***
Цианиды	0,1	0,05	20
Цинк	1	0,01/0,05***	100/20***
CCl4	0,3	-	3,33

*В числителе - для водоемов, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения, в знаменателе - для купания, спорта, отдыха.

**В числителе - для водоемов, используемых для воспроизводства ценных пород рыб, в знаменателе - для всех других рыбохозяйственных целей.

***В знаменателе для морских водоемов.

Основными документами, определяющими требования к качественному и количественному составу очищенных вод, являются: "Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнения" СанПиН 4630-88 от 01.01.89 г., "Правила охраны поверхностных вод (типовые положения)", "Обобщенный перечень предельно допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно безопасных уровней воздействия (ОБУВ) вредных веществ для воды рыбохозяйственных водоемов", "Правила приема производственных сточных вод в системы канализации населенных пунктов", ГОСТы "Охрана природы. Гидросфера".

Требования к условиям отведения сточных вод в поверхностные водоемы распространяются на существующие выпуски производственных, хозяйственно-бытовых сточных вод и поверхностного стока с территорий населенных мест и производственных объектов, сточные воды отдельно стоящих жилых домов и производственных зданий и т.п., на все проектируемые выпуски сточных вод. Учитывая, что большинство водоемов в Российской Федерации в настоящее время отнесено к рыбохозяйственным, при разработке технологий и сооружений очистки сточных вод приходится ориентироваться на требования, предъявляемые к этой категории водоемов. Следует отметить, что в России по сравнению с другими странами к качеству очищенных сточных вод предъявляются наиболее высокие, часто чрезмерные требования. Для сравнения можно привести требования для воды рыбохозяйственных водоемов в РФ и нормы на сброс городских сточных вод в некоторых странах по БПК (таблица 9).

Табл. 9

Показатель	РФ	США	ФРГ	Великобритания	Франция	Швейцария	Бельгия
БПК5, мг/л	3 (БПКполн.)	20	25	20	20-40	20	15-50

При сбросе воды в черте населенного пункта требования, установленные к составу и свойствам воды водоема, относятся и к самим сточным водам. При поступлении в водоем нескольких веществ с одинаковыми лимитирующими показателями вредности, сумма отношений концентраций (C1, C2, …, Сn) каждого из веществ в этом водоеме к соответствующим ПДК не должна превышать 1:

С1 С2 Сn

-- + -- +........+ -- = 1

ПДК1 ПДК2 ПДКn

В этих условиях зачастую очищенная сточная вода должна быть чище питьевой, предусмотренной соответствующими ГОСТ на питьевую воду, а качество воды во многих, даже экологически благополучных водоемах не соответствует требованиям правил по охране водных ресурсов. Сопоставление требований по удалению из сточных вод органических загрязнений, взвешенных веществ и химических загрязнений для реальных условий выявит перечень ингредиентов, удаление которых является определяющим. Удаление прочих загрязнений произойдет как сопутствующий эффект.

Достижения науки и техники в настоящее время дают возможность разработать технологии очистки, позволяющие получить воду высокого качества, применяя механические, физико-химические и, в качестве основных, биологические методы.

Требования к качеству очищенных сточных вод должны базироваться на соответствии экологической необходимости, экономической целесообразности и технологических возможностей.

Завышенные требования к качеству очищенных вод часто приводят к противоположным результатам в области охраны водоемов от загрязнения. Экономически осуществимые в настоящее время проекты по очистке сточных вод, предусматривающие снижение концентрации основных загрязнений на 90-95%, не согласовываются органами санэпиднадзора и охраны природы, в результате чего задерживается строительство очистных сооружений и в водоемы продолжают сбрасываться неочищенные сточные воды. В других случаях затрачиваются финансовые и материальные ресурсы для осуществления глубокой очистки сточных вод, в то время как мощность очистных сооружений не обеспечивает полную биологическую очистку всех сточных вод населенного пункта.

По современным требованиям к качеству очищенных сточных вод практически все отводимые сточные воды должны подвергаться глубокой очистке. Простые расчеты показывают, что для получения одинакового экологического эффекта от водоохранных мероприятий, т.е. изъятия из сточных вод заданного количества загрязняющих веществ, при биологической очистке неочищенных сточных вод (20,5%) необходимо затратить в 10 раз меньше финансовых и материальных ресурсов, чем при глубокой очистке сточных вод, прошедших очистные сооружения (79,5%).

Для осуществления полной биологической очистки сточных вод при удалении основных загрязнителей на 95% необходимы практически такие же затраты, как для глубокой очистки с удалением еще 10-12% загрязнений, то есть эффективность инвестиций в строительство сооружений глубокой очистки на порядок ниже, чем в строительство сооружений полной биологической очистки. В связи с тем, что более 20% сточных вод сбрасываются в водоемы в настоящее время без очистки, для обеспечения необходимого санитарно-гигиенического эффекта оздоровления водоемов следует обеспечить прежде всего полную биологическую очистку всех сточных вод. Только после этого можно будет определить реальные нормативы сброса сточных вод в водоемы.

Сравнение существующих способов очистки

Очистка сточных вод производится с целью снижения концентраций загрязнений, сбрасываемых в водоем, в пределах, ограничиваемых санитарно-гигиеническими нормативами.

Критерии очистки сточных вод следует определять на основании самоочищающей способности водоема. Биологическая очистка осуществляется на биофильтрах или аэротенках. Физико-химическая очистка выполняется коагулированием бытовых сточных вод химическими реагентами с последующим отстаиванием и фильтрованием через зернистую загрузку.

Качество бытовых сточных вод, после физико-химической и биологической очистки отличается незначительно по ХПК и БПКполн. Значительное различие отмечается по аммонийному азоту, фосфатам, ПАВ и взвешенным веществам.

Таблица 10. Показатели состава сточных вод до и после биологической и физико-химической очистки

Название	Взвешенные вещества, мг/л	ХПК, мг/л	БПКполн, мг/л	Аммонийный азот, мг/л	Фосфаты, мг/л	ПАВ, мг/л
Исходная вода	130-450	<550	90-350	5-50	6-30	4-15
После биологической очистки	15-25	75-110	10-20	2-20	15-20	1,5-3,0
После физико-химической очистки	3-15	46-109	10-25	18-30	0,6-2,2	0,5-0,8

Физико-химические методы

Химическое окисление

Удаление из сточных вод остаточных растворенных органических загрязнений может осуществляться с помощью сильных окислителей - озона, хлора, перманганата калия и др.

Озон, являясь сильным окислителем, обладает способностью разрушать в водных растворах при нормальной температуре многие органические вещества. При озонировании окисляются многие устойчивые к биологическому разрушению органические вещества, в том числе "биологически жесткие" ПАВ. Наиболее интенсивно окисление ПАВ протекает при высоком значении рН и повышенной температуре. С уменьшением концентрации ПАВ в растворе снижается скорость их окисления и особенно резко при концентрации, при которой прекращается пенообразование. При озонировании окисляются как растворенные, так и взвешенные органические вещества, присутствующие в сточной воде. Так как взвешенные вещества можно удалить из воды более простыми техническими средствами, для снижения расхода озона целесообразно применять озонирование на завершающей стадии глубокой очистки сточных вод после максимального удаления из воды взвесей. По сравнению с другими окислителями (например, хлором) озон имеет ряд преимуществ: его можно получать непосредственно на очистных сооружениях, причем сырьем для его получения служит технический кислород или атмосферный воздух, процесс легко поддается автоматизации. Озонирование, несмотря на относительно высокую стоимость обработки сточных вод, привлекает в первую очередь высокой реакционной способностью, сильным бактерицидным действием, возможностью получения озона на месте, отсутствием в озонируемой воде остаточных концентраций озона, который, будучи нестойким соединением, быстро переходит в кислород. Поэтому озон является перспективным окислителем в технологии глубокой очистки сточных вод.

Окисление органических загрязнений активным хлором в качестве самостоятельного метода не может быть рекомендовано из-за образования токсических и канцерогенных хлорорганических соединений.

Сорбция

Адсорбция, т.е. поглощение загрязнений поверхностью твердого тела, осуществляется за счет диффузии молекул органических веществ через жидкостную пленку, окружающую частицы адсорбента, к его поверхности при перемешивании жидкости и далее внутренней диффузии молекул, скорость которой определяется строением адсорбента и размером молекул сорбируемого вещества. Сорбцию экономически целесообразно применять при низких концентрациях загрязнений, т.е. на стадии глубокой очистки. В этом случае в процессе сорбции можно получить близкие к нулевым концентрации остаточных загрязнений.

На скорость и эффективность адсорбции влияет структура сорбента, химическая природа и концентрация загрязнений, температура, активная реакция среды. При повышении температуры степень адсорбции снижается, несмотря на увеличение скорости диффузии; снижение величины рН вызывает увеличение сорбции органических веществ сточных вод; с помощью сорбции можно извлекать из воды биологически стойкие органические вещества.

Лучшими сорбентами для удаления из воды растворенных органических веществ являются активные угли различных марок, эффективность которых определяется наличием в них микропор. Суммарный объем микропор активного угля является его основной характеристикой, которая должна приводиться для каждой марки активного угля. Интересно, что активные угли в первую очередь адсорбируют органические вещества неприродного происхождения, а именно: фенолы, спирты, эфиры, кетоны, нефтепродукты, амины, "жесткие" поверхностно-активные вещества, органические красители, различные хлорамины, Этот метод позволяет на стадии глубокой очистки сточных вод снизить концентрацию органических соединений на 90-99%.

При сорбции на уголь не должна поступать вода, содержащая взвешенные и коллоидные вещества, экранирующие поры активного угля. Уголь, исчерпавший свою сорбционную способность (емкость) регенерируется или полностью заменяется.

Добавление окислителей (озона или хлора) перед подачей воды на угольные фильтры позволяет увеличить срок службы активного угля до его замены, улучшить качество очищенной воды или проводить очистку от соединений азота. При совместном проведении сорбции и озонирования происходит синергический эффект. Озон разрушает макромолекулы, а затем активный уголь сорбирует продукты частичного разложения в 1,5-3 раза эффективнее, чем без предварительного окисления. Предполагается, что при этом происходит, во-первых, деструкция биологически трудноокисляемых соединений с образованием окисляемых, в результате чего на угольной загрузке протекают биологические процессы окисления органических веществ, и, во-вторых, в результате воздействия озона на макромолекулы их молекулярный вес и размеры уменьшаются, и они могут сорбироваться в истинных микропорах активного угля. Комбинация методов озонирования и сорбции позволяет снизить в 2-5 раз расходы и озона и активного угля по сравнению только с сорбцией или только с озонированием, а следовательно, и стоимость очистки.

При хлорировании воды с последующей сорбцией на активном угле происходит удаление аммонийного азота. При хлорировании воды, содержащей аммонийный азот, в зависимости от рН, соотношения дозы активного хлора и концентрации аммонийного азота образуется смесь монохлораминов, дихлораминов, треххлористого азота, сорбируемых при фильтрации активным углем, и молекулярного азота, уходящего в атмосферу.

Основные параметры процесса: доза хлора 8-12 мг/мг NН₄N в зависимости от содержания органических веществ и конечных продуктов реакции с NH₄-N, скорость фильтрования 5-7 м/ч, время контакта с углем 6-10 минут, оптимальный диапазон рН 7-8, полное перемешивание воды с гипохлоритом натрия. Недостатком способа является увеличение концентрации хлоридов в очищенной воде, особенно при обработке сточных вод с относительно высокой концентрацией аммонийного азота; преимуществом - увеличение срока службы угля до замены или регенерации за счет окисления органических веществ хлором на пористой поверхности угля, более высокая степень очистки от органических веществ, полное обеззараживание воды, удаление аммонийного азота с превращением в молекулярный азот, уходящий в атмосферу.

При использовании в качестве сорбентов оксидов алюминия, природных минералов, содержащих Са и Mg, можно осуществлять удаление из воды соединений фосфора, эффективность которого иногда доходит до 100%. Однако, этот метод разработан слабо, требуется его изучение и определение технологических параметров процесса.

Коагуляция

Коагуляция - процесс нейтрализации отрицательного заряда коллоидных частиц загрязнений, присутствующих в воде, и образование относительно крупных частиц (хлопьев), способных в осаждению. При обработке воды в качестве коагулянтов используются соли алюминия, железа, известь.

При введении в воду солей алюминия или железа переход их в гидроокись осуществляется через ряд промежуточных соединений в результате реакции с гидроксильными ионами и полимеризации. Промежуточные продукты гидролиза оказываются более эффективными для удаления загрязнений, чем конечный продукт. Время существования промежуточных продуктов гидролиза очень мало и не превышает 1 с, поэтому так важно обеспечить интенсивное (быстрое) перемешивание для вступления в контакт с коагулянтом наибольшего количества загрязнений до окончания реакции гидролиза и полимеризации. В практике очистки сточных вод это обеспечивается распределением коагулянта в обрабатываемой воде в зоне наибольшей турбулентности потока при времени быстрого смешения 15-30 с и среднем градиенте скорости 200 с. Последующий процесс хлопьеобразования проходит в течение 20-30 мин. Увеличение продолжительности быстрого смешения приводит к разрушению хлопьев и ухудшению эффекта осветления воды. Добавление флокулянтов (водорастворимых органических флокулянтов неионогенного, анионного и катионного типов, например, полиакриламида, Суперфлока А-100 и пр.) в малых дозах 0,5-1 мг/л увеличивает размеры и прочность хлопьев, что повышает эффективность процесса коагуляции.

Реагентная обработка является в настоящее время основным способом удаления из сточных вод соединений фосфора. При введении традиционных минеральных коагулянтов: солей двух и трехвалентного железа, солей алюминия или извести, которые могут применяться самостоятельно или в сочетании с флокулянтами, растворенные соли ортофосфорной кислоты образуют нерастворимые соединения, которые выпадают в осадок.

Технологическая схема двухступенчатой очистки сточных вод

Технологическая схема двухступенчатой доочистки сточных вод включает в себя приемный резервуар 2. насосную установку 3, с помощью которой вода подается в распределительную камеру 5. откуда самотеком поступает на песчаные фильтры 6. Очищенная на песчаных фильтрах вода собирается в приемный резервуар 7. откуда насосной установкой 8 перекачивается в распределительную камеру 10. На сорбционные фильтры 11 вода из распределительной камеры подается снизу вверх. При подаче сточных вод в распределительные камеры 5 и 10 часть воды переливается и отводится по трубопроводам 4 и 9 в приемные резервуары, где происходит перемешивание исходной жидкости.

Рис. 15. Схема очистки сточных вод на двухступенчатых фильтрах

1 - вода после сооружений биологической очистки, 2 - приемный резервуар, 3 - насосная установка, 4 - устройство для перемешивания воды, 5 - распределительная камера, 6 - фильтр, загруженный песком, 7- приемный резервуар, 8 - насосная установка, 9 - устройство для перемешивания воды, 10-распределительная камера, 11 - сорбционный фильтр, 12 - промывной насос, 13 - резервуар промывной воды, 14 - сброс очищенной воды

Первая ступень фильтра загружена песком с диаметром зерен 1,8 мм и высотой 0,5-1 м. Скорость фильтрования составляет 10 м/ч. Период между регенерацией загрузки фильтра зависит от концентрации взвешенных веществ и составляет 9,6-15,1 ч. Грязеемкость фильтра находится в пределах от 2,6 до 6,6 кг/м^З. Промывка фильтра производится водой с интенсивностью 18-20 л/с·м². Продолжительность промывки составляет 7 мин. Объем промывной воды - 4% от объема очищенной воды. Для фильтров первой ступени можно использовать водовоздушную промывку с интенсивностью подачи воды 12 л/с·м² и интенсивностью подачи воздуха 16-19 л/с·м². Продолжительность водовоздушной промывки составляет 6 мин.

Сорбционный фильтр загружен сорбентом на высоту 3,2 м, скорость фильтрования воды - 2-2,5 м/ч. Крупность зерен загрузки 1-2 мм. Интенсивность промывки сорбционных фильтров 6-12 л/с*м². Продолжительность промывки принимается 7-10 мин. И уточняется в процессе эксплуатации фильтров. Фильтроцикл составляет 24 часа. Продолжительность работы сорбционных фильтров до регенерации - от 3 до 4 суток. Регенерация загрузки сорбционных фильтров выполняется тогда, когда ХПК после фильтрования на второй ступени превышает 15 мг/л.

Сорбционный фильтр

Рис. 16. Сорбционные фильтры

1 - корпус; 2 - крышка; 3 - подводящий трубопровод; 4 - сорбент; 5 - дренаж; 6 - отводящий трубопровод очищенных сточных вод

Расчет сорбционного фильтра

Техническое задание. Рассчитать сорбционный фильтр, производительностью 160 м³/ч. Расчетное время работы установки 20 час/сутки. Сорбционный фильтр загружен сорбентом на высоту 3,2 м, скорость фильтрования воды - 2,5 м/ч. Крупность зерен загрузки 1,5 мм. Интенсивность промывки сорбционных фильтров 8 л/с*м². Продолжительность промывки принимается 10 мин. Сорбционный фильтр, загружается активированным углем АГ-5.

Расчет сорбционных фильтров выполняется в соответствии с рекомендациями. В том случае, когда величина ХПК больше 100 мг/л, изотерма адсорбции соответствует уравнению Фрейдлиха. Максимальная и минимальная адсорбционная емкость, мг/л определяется по формуле:

где Сеn - начальная величина ХПК, г/л; Сех - конечная величина ХПК, мг/л; f - постоянная Фрейндлиха; n - коэффициент, зависящий от вида сорбента.

При начальной величине ХПК < 100 мг/л максимальная адсорбционная емкость находится по уравнению Генри, и т.к. Сеn = 96,8 мг/л, а Сех =9,3 мг/л, то считаем по уравнению Генри: где Г = 4,8 см³/м² - константа Генри.

Площадь сорбционных фильтров, м², где qw - часовой расход сточных вод, м3/ч; V - скорость фильтрования, м/ч.

Количество фильтров, шт.: где Fads - площадь сорбционных фильтров, м2; fads - площадь одного фильтра, м2.

Максимальная доза активного угля, г/л:

Высота загрузки фильтра, м: где tads - продолжительность работу установки до проскока, ч; гsbнас-плотность насыпная, г/л.

Продолжительность работы адсорбционных установок до проскока определяется по формуле, ч: где е - порозность загрузки;

Объем загрузки адсорберов, м3:

Количество сухой массы угля в одном адсорбере, м3:

Объем резервуара промывной воды из расчета на две промывки фильтра, м3: где Wnp - количество воды, расходуемое на промывку одного фильтра, м3.

Подбираем параметры промывных насосов подача, л/с.

Qн = i*f;

напор Нн = 10-12 м

Период работы загрузки адсорбционных фильтров до ее замены определяется продолжительностью рабочего периода фильтров. Рабочий период эксплуатации фильтров зависит от количественных и качественных показателей исходной воды и адсорбционной емкости активированного угля. Продолжительность эксплуатации фильтров до замены загрузки составляет 1,5-2 года. Фактическая продолжительность работы фильтров уточняется в процессе эксплуатации станции очистки.

Активированный уголь

Самый распространенный сорбент - активированный уголь. Применение угольных фильтров позволяет частично очистить воду от растворенной органики, солей тяжелых металлов, микроорганизмов свободного хлора, в то же время сохранив в воде полезные вещества. Но у систем такого типа есть свои недостатки. Пока поглотительный элемент новый, система работает прекрасно. Но со временем микроорганизмы накапливаются на поверхности сорбента и начинают там размножаться. В таком случае вода на выходе может стать даже более загрязненной, чем на входе. Иногда, чтобы избежать такой ситуации, сорбент покрывают серебром, но серебро не убивает микроорганизмы, а лишь препятствует их размножению на поверхности сорбента. Кроме того, со временем сорбент насыщается, и его необходимо заменять.

Таблица 11. Показатели качества сточных вод после очистки на сорбционных фильтрах

Показатель	Концентрация загрязнений до применения, мг/л	Концентрация загрязнений после доочистки, мг/л
		На песчаных фильтрах	Сорбционный фильтр, загружаемый углем АГ-5	Сорбционный фильтр, загружаемый углем КАД йодным	Сорбционный фильтр, загружаемый ТАУ углем
Взвешенные вещества	17-60	1.1-2,3	отсутствуют	отсутствуют	отсутствуют
ХПК	156-192	127-132	8.5-12	8.3-14.1	8-13.8
БПКполн	18,1-26,7	4-9.8	1.8-3.7	1.83-3.4	1.5-3.1
N02	следы	0.15-0,35	0.15-0.31	0 23-0.39	0,28-0,35
NО3	0,03-3.9	0.95-5.1	1.1-6.8	1,2-6.3	1.СМ5.5
NH4	2,6-9.6	1.47-6.75	0,8-6,0	0,65-5.75	1.1-6,35
РО43	1.38-7.4	0.85-6.25 3.2-5	0.5-5,7	0,55-5.85	0.6-5.6
Растворимый кислород	6-8,5	3,2-5	2.65-2.91	2.7-2.85	2.6-2.9

Эффект сорбции существенно повышается при сочетании его с озонированием. Эффект сорбционной глубокой очистки при предварительном озонировании воды повышается на 30-60% в зависимости от дозы озона в интервале от 3 до 14 мг/л. При совместном проведении сорбции и озонирования эффективность сорбции на угле в 1,5-3 раза выше, чем без предварительного окисления.

Выпарные установки

Выпарные установки и процесс выпаривания

На предприятиях машиностроительной отрасли промышленности в процессе производства образуются сточные воды, которые, при недостаточной степени очистки, являются источниками загрязнения поверхностных водоемов. Загрязняющие вещества приводят к качественным изменениям физических свойств воды и ее химического состава.

Количественный и качественный состав стоков машиностроительных предприятий разнообразен и зависит от технологических процессов, используемых в производственном цикле. В основном производственные сточные воды содержат взвешенные вещества, нефтепродукты, ПАВ и ионы тяжелых металлов, что особенно характерно для сточных вод гальванического производства.

Проблема очистки промышленных сточных вод приобретает в нашей стране все более серьезное значение, поскольку большинство очистных сооружений машиностроительных предприятий устарело и не в состоянии обеспечить качественную очистку стоков в соответствии с существующими нормативами ПДК, а также возврат очищенной воды на оборотное использование. Для решения указанных задач предлагается использовать процесс вакуумного выпаривания промывных вод и концентрированных технологических растворов.

Выпаривание это процесс концентрирования жидких отходов методом частичного удаления растворителя (воды) испарением в процессе кипения. При выпаривании растворитель извлекается из объема раствора. Концентраты и твердые отходы, образующиеся при вакуумном выпаривании, гораздо дешевле и легче подвергаются последующей переработке, хранению и транспортировке.

На Рис. представлена технологическая схема очистки сточных вод гальванического производства с последующим возвратом очищенной воды в на технологические нужды гальванического цеха.



Рис. 17. Технологическая схема очистки сточных вод - вакуумное выпаривание

Выпарные аппараты в гальванике, как правило, применяются для упаривания промывных вод при многоступенчатой (каскадной) промывке, а также воды из ванн улавливания. Использование вакуумных выпаривателей на очистных сооружениях позволяет вернуть в технологические процессы ценные компоненты и снизить либо полностью исключить сброс сточных вод, содержащих токсичные соединения тяжелых металлов: меди, цинка никеля, хрома, свинца и пр. При использовании данной технологии значительно сокращаются эксплуатационные затраты на очистку сточных вод.

Промывные воды концентрируются в вакуумной выпарной установке, образующиеся соли используются для корректировки соответствующего раствора электролита. Дистиллят поступает на повторное использование в ванны каскадной промывки Рис. 18.

Рис. 18. Схема шестиступенчатой каскадной промывки

Кристаллизаторы

Для выделения солей из растворов с положительными коэффициентами растворимости, растворы охлаждают. Для выделения солей из растворов с отрицательных коэффициентах - нагревают. Кристаллизация может осуществляться при выпаривании жидкости в последних ступенях многоступенчатых выпарных установок и установок адиабатного испарения. Используются различные конструкции выпарных аппаратов, но наиболее надежны в эксплуатации выпарные аппараты кристаллизаторы с выносной греющей камерой и принудительной циркуляцией раствора.

Для кристаллизации из пересыщенных растворов используют также кристаллизаторы с охлаждением раствора, вакуумные кристаллизаторы и кристаллизаторы с псевдоожиженным слоем.

Имеются различные конструкции кристаллизаторов с воздушным и водяным охлаждением. Простейший кристаллизатор с воздушным охлаждением представляет собой емкость, в которой раствор охлаждается на воздухе.

Цикл кристаллизации в кристаллизаторах с водяным охлаждением меньше, чем в кристаллизаторах с воздушным охлаждением.

Простейший кристаллизатор представляет собой цилиндрический бак с мешалкой, с наружной охлаждающей рубашкой или с внутренним охлаждающим змеевиком. Трубчатый кристаллизатор это вращающийся барабан, охлаждаемый снаружи водой. Более сложную конструкцию имеет охладительный кристаллизатор.

Вакуум кристаллизаторы могут быть периодического и непрерывного действия, с циркуляцией суспензии или с циркуляцией раствора.

Фильтр-пресс

Фильтр-пресс рамный для обезвоживания осадка

Фильтр прессы предназначены для обезвоживания осадка сточных вод разделения суспензий, обезвоживания шлама. Данный тип фильтров распространен в промышленности благодаря большой фильтрующей поверхности, относительно низкой материалоемкости, возможности получения хорошо отжатых осадков, влажность не более 75%.

Общая черта пресс-фильтров различных конструкций это пакет фильтровальных плит - элементов, которые зажимаются между неподвижной опорной и подвижными полипропиленовыми плитами с надетым на них фильтровальным материалом (в обезвоживании осадков и шламов гальванических производств фильтроматериал изготавливается из полипропиленовых тканей). Фильтрационные элементы опираются кронштейнами на опорные балки фильтр-пресса. Фильтровальные плиты изготавливаются, как правило квадратную формы и типоразмеров 400*400 мм, 630*630 мм и 800*800 мм. Все плиты имеют на поверхности рифления для отвода фильтрата и углубления для сбора взвешенных вещества (осадка). С целью подачи и удаления осадка в плитах предусмотрены сквозные отверстия. При сборке фильтровальных плит в пакет сквозные отверстия образуют каналы для подачи суспензии, отвода фильтрата и просушки обезвоженного осадка сжатым воздухом для дополнительного снижения влажности. На неподвижной зажимной плите из нержавеющей стали находятся отверстия, соответствующие каналам и штуцера для подсоединения трубопроводов. Между плитами располагаются полотна фильтровальной ткани, в которых также находятся аналогичные отверстия.

Суспензия под давлением 6-7 бар подается по каналам в камеры фильтр пресса до заполнения пространства осадком, который при необходимости промывают, подавая воду по каналу, через который движется поток суспензии. Осадок обезвоживается продувкой сжатым воздухом под давления 6-7 бар. Выгрузка осадка производится гравитационно при разборе пресс-фильтра (поочередном отодвигании фильтровальных плит). Большинство фильтр прессов работает автоматически.

Рис. 19

Табл. 12. Технические характеристики и стоимость фильтр прессов МУОВ

Модель фильтр-пресса	Вместимость, дм3	Фильтровальная поверхности, м2	Занимаемая площадь, м2	Цена с НДС, руб.
МУОВ-1Г (гидравлический зажим)	22,5	1	0,75	По запросу
МУОВ-2Г (гидравлический зажим)	49	2	1	от 424 220
МУОВ-6Г (гидравлический зажим)	88,2	4	1,5	По запросу
МУОВ-4А (Автоматический зажим)	88,2	4	2	По запросу
МУОВ-6А (Автоматический зажим)	132,3	6	2,5	По запросу

Пример подбора фильтр пресса:

Исходные данные:

Объем суспензии: 2,5 м³/сутки = 2500 дм³/смену

Исходная влажность суспензии: 98%

1. Объем сухого вещества в смену:

2. Объем обезвоженного осадка влажностью 70% в смену:

3. Оптимальная вместимость фильтр пресса (исходя из соотношения капитальные затраты / число фильтроциклов в смену):

Расчетный объем обезвоженного осадка влажностью 70% составляет 167 дм³/сутки (смену). Стандартная рабочая смена - 8 часов в сутки. Оптимальное время одного фильтроцикла принимаем 2 часа (1 час - подача суспензии на фильтр пресс, 40 мин - разбор и разгрузка фильтр пресса, 20 мин сбор фильтр пресса):

Наиболее близким по вместимости является фильтр-пресс МУОВ-2Г (А); V = 49 дм³

Основные преимущества рамных фильтр-прессов в сравнении с прочим оборудованием для обезвоживания осадков и шламов:

· Низкая влажность обезвоженного осадка (кека) не менее 75%, а при последующем высыхание в сборнике шлама до 60-65%;

· Оптимальное соотношение цена/качество - в 2-3 раза дешевле зарубежных аналогов;

· Большая площадь фильтрования относительно занимаемой оборудованием площади и возможность повышения производительности оборудования благодаря модульности его исполнения;

· Высокая степень разделения фаз и возможность разделения суспензий с низкой концентрацией взвешенных веществ (твердых частиц);

· Возможность полной автоматизации процесса фильтрации;

· Высокая коррозионная и износостойкость конструкционных материалов фильтровального оборудования;

· Отсутствие энергозатрат при использовании сжатого воздуха из заводской магистрали;

· Простота эксплуатации и отсутствие необходимости остановки очистных сооружения при ремонте и профилактическом обслуживании фильтр пресса;

· Срок службы оборудования до 50 лет при замене фильтровальной полипропиленовой ткани один раз в 1-2 года.

Рис. 19. Принципиальная схема рамного фильтр пресса

Размещено на Allbest.ru