Состав и свойства сточных вод

1. СОСТАВ И СВОЙСТВА СТОЧНЫХ ВОД

1.1. ФОРМИРОВАНИЕ СОСТАВА СТОЧНЫХ ВОД

В понятие «сточные воды» входят различные по происхождению, составу и физико-химическим свойствам воды, которые использовались человеком для бытовых и технологических нужд. При этом вода получила загрязнения, и ее физико-химические свойства изменились. Сточные воды разнообразны по составу и, следовательно, по свойствам.

По своей природе загрязнения сточных вод подразделяются на ор­ганические, минеральные, биологические. Органические загрязнения - это примеси растительного и животного происхождения. Минеральные загряз­нения - это кварцевый песок, глина, щелочи, минеральные кислоты и их соли, минеральные масла и т. д. Биологические и бактериальные загрязне­ния - это различные микроорганизмы: дрожжевые и плесневые грибки, мелкие водоросли и бактерии, в том числе болезнетворные - возбудители брюшного тифа, паратифа, дизентерии и др.

Все примеси сточных вод, независимо от их происхождения, раз­деляют на четыре группы в соответствии с размером частиц (классификация сточных вод по фазово-дисперсному состоянию загрязняющих веществ или классификация по Кульскому Л.).

К первой группе примесей относят нерастворимые в воде грубодисперсные примеси. Нерастворимыми могут быть примеси органической или неорганической природы. К этой группе относят микроорганизмы (простейшие, водоросли, грибы), бактерии и яйца гельминтов. Эти примеси образуют с водой неустойчивые системы. При определенных условиях они могут выпадать в осадок или всплывать на поверхность воды. Значительная часть загрязнений этой группы может быть выделена из воды в результате гравитационного осаждения.

Вторую группу примесей составляют вещества коллоидной степе­ни дисперсности с размером частиц менее 10^-6 см. Гидрофильные и гидро­фобные коллоидные примеси этой группы образуют с водой системы с осо­быми молекулярно-кинетическими свойствами. К этой группе относятся и высокомолекулярные соединения, так как их свойства сходны с коллоид­ными системами. В зависимости от физических условий, примеси этой группы способны изменять свое агрегатное состояние. Малый размер час­тиц их затрудняет осаждение под действием сил тяжести. При разрушении агрегативной устойчивости примеси выпадают в осадок.

К третьей группе относят примеси с размером частиц менее 10^-7 см. Они имеют молекулярную степень дисперсности. При их взаимодействии с водой образуются растворы. Для очистки сточных вод от примесей третьей группы применяют биологические и физико-химические методы.

Примеси четвертой группы имеют размер частиц менее 10^-8 см, что соответствует ионной степени дисперсности. Это растворы кислот, солей и оснований. Некоторые из них, в частности, аммонийные соли, и фосфаты частично удаляются из воды в процессе биологической очистки. Однако, технология очистки бытовых сточных вод (полная биологическая очистка) не позволяет изменить солесодержание воды. Для снижения концентрации солей используют следующие физико-химические методы очистки: ионный обмен, электродиализ и т.д.

Различают три основные категории сточных вод в зависимости от их происхождения:

• хозяйственно-бытовые:

• производственные;

• атмосферные.

Хозяйственно-бытовые сточные воды поступают в водоотводящую сеть от жилых домов, бытовых помещений промышленных предприятий, комбинатов общественного питания и лечебных учреждений. В составе таких вод различают фекальные сточные воды и хозяйственные, загрязнен­ные различными хозяйственными отбросами, моющими средствами. Хо­зяйственно-бытовые сточные воды всегда содержат большое количество микроорганизмов, которые являются продуктами жизнедеятельности чело­века. Среди них могут быть и патогенные. Особенностью хозяйственно-бытовых сточных вод является относительное постоянство их состава. Ос­новная часть органических загрязнений таких вод представлена белками, жирами, углеводами и продуктами их разложения. Неорганические приме­си составляют частицы кварцевого песка, глины, соли, образующиеся в процессе жизнедеятельности человека. К последним относят фосфат, гид­рокарбонаты, аммонийные соли (продукт гидролиза мочевины). Из общей массы загрязнений бытовых сточных вод на долю органических веществ приходится 45-58%.

Производственные сточные воды образуются в результате техно­логических процессов. Качество сточных вод и концентрация загрязняю­щих веществ определяются следующими факторами: видом промышленно­го производства и исходного сырья, режимами технологических процессов. На предприятиях, например, металлообрабатывающих производственные сточные воды загрязнены минеральными веществами. Пищевая промыш­ленность дает загрязнения органическими примесями. Большинство же предприятий имеет загрязнения сточных вод как минеральные, так и орга­нические, в различных соотношениях. Концентрация загрязнений сточных вод различных предприятий неодинакова. Она колеблется в весьма широ­ких пределах, в зависимости от расхода воды на единицу продукции, со­вершенства технологического процесса и производственного оборудования Концентрация загрязнений в производственных сточных подах может сильно колебаться во времени и зависит от хода технологического процесса в отдельных цехах или на предприятии в целом. Неравномерность притока сточных вод и их концентрации во всех случаях ухудшает работу очист­ных сооружений и усложняет эксплуатацию.

Атмосферные сточные воды образуются в результате выпадения осадков. К этой категории сточных вод относят талые воды, а также воды от поливки улиц. В атмосферных водах наблюдается высокая концентрация кварцевого песка, глинистых частиц, мусора и нефтепродуктов, смываемых с улиц города. Загрязнение территории промышленных предприятий при­водит к появлению в ливневых водах примесей, характерных для данного производства. Отличительной особенностью ливневого стока является его эпизодичность и резко выраженная неравномерность по расходу и концен­трациям загрязнений.

В зависимости от гидрогеологических условий местности, характе­ра производственных процессов в данном регионе, расхода воды на хозяй­ственно-бытовые и производственные цели, выбирается та или иная систе­ма водоотведения и, соответственно, схема водоотводящей сети. Загрязне­ния хозяйственно-бытовых и производственных стоков влияют на техноло­гию очистки воды и на экологическую ситуацию в данном районе.

1.2. САНИТАРНО-ХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ СТОЧНЫХ ВОД

Состав сточных вод и их свойства оценивают по результатам санитарно-химического анализа, включающего наряду со стандартными хими­ческими тестами целый ряд физических, физико-химических и санитарно-бактериологических определений.

Сложность состава сточных вод и невозможность определения ка­ждого из загрязняющих веществ приводит к необходимости выбора таких показателей, которые характеризовали бы определенные свойства воды без идентификации отдельных веществ. Такие показатели называются группо­выми или суммарными. Например, определение органолептических показа­телей (запах, окраска) позволяет избежать количественного определения в воде каждого из веществ, обладающих запахом или придающих воде окра­ску.

Полный санитарно-химический анализ предполагает определение следующих показателей: температура, окраска, запах, прозрачность, вели­чина рН, сухой остаток, плотный остаток и потери при прокаливании, взвешенные вещества, оседающие вещества по объему и по массе, перманганатная окисляемость, химическая потребность в кислороде (ХПК), био­химическая потребность в кислороде (БПК), азот (общий, аммонийный, нитритный, нитратный), фосфаты, хлориды, сульфаты, тяжелые металлы и другие токсичные элементы, поверхностно-активные вещества, нефтепро­дукты, растворенный кислород, микробное число, бактерии группы кишеч­ной палочки (БГКП), яйца гельминтов. Кроме перечисленных показателей, в число обязательных тестов полного санитарно-химического анализа на городских очистных станциях может быть включено определение специфических примесей, поступающих в водоотводящую сеть населенных пунктов от промышленных предприятий.

Температура — один из важных технологических показателей. Функцией температуры является вязкость жидкости и, следовательно, сила сопротивления оседающим частицам. Поэтому температура — один из оп­ределяющих факторов процесса седиментации. Важнейшее значение имеет температура для биологических процессов очистки, так как от нее зависят скорости биохимических реакций и растворимость кислорода в воде.

Окраска - один из органолептических показателей качества сточ­ных вод. Хозяйственно-фекальные сточные воды обычно слабо окрашены и имеют желтовато-буроватые или серые оттенки. Наличие интенсивной ок­раски различных оттенков — свидетельство присутствия производственных сточных вод. Для окрашенных сточных вод определяют интенсивность ок­раски по разведению до бесцветной, например 1:400; 1:250 и т.д.

Запах - органолептический показатель, характеризующий наличие в воде пахнущих летучих веществ. Обычно запах определяют качественно при температуре пробы 20°С и описывают как фекальный, гнилостный, керосиновый, фенольный и т.д. При неясно выраженном запахе определе­ние повторяют, подогревая пробу до 65°С. Иногда необходимо знать поро­говое число — наименьшее разбавление, при котором запах исчезает.

Концентрация ионов водорода выражается величиной рН. Этот показатель чрезвычайно важен для биохимических процессов, скорость которых может существенно снижаться при резком изменении реакции среды. Установлено, что сточные воды, подаваемые на сооружения биоло­гической очистки, должны иметь значение рН в пределах 6,5 - 8,5. Произ­водственные сточные воды (кислые или щелочные) должны быть нейтрали­зованы перед сбросом в водоотводящую сеть, чтобы предотвратить ее раз­рушение. Городские сточные воды обычно имеют слабощелочную реакцию среды (рН = 7,2-7,8).

Прозрачность характеризует общую загрязненность сточной воды нерастворенными и коллоидными примесями, не идентифицируя вид за­грязнений. Прозрачность городских сточных вод обычно составляет 1-3 см, а после очистки увеличивается до 15 см.

Сухой остаток характеризует общую загрязненность сточных вод органическими и минеральными примесями в различных агрегативных со­стояниях (в мг/л). Определяется этот показатель после выпаривания и даль­нейшего высушивания при t = 105°С пробы сточной воды. После прокаливания (при t = 600°С) определяется зольность сухого остатка. По этим двум показателям можно судить о соотношении органической и минеральной частей загрязнений в сухом остатке.

Плотный остаток - это суммарное количество органических и минеральных веществ в профильтрованной пробе сточных вод (в мг/л). Оп­ределяется при таких же условиях, что и сухой остаток. После прокалива­ния плотного остатка при t = 600°С можно ориентировочно оценить соотношение органической и минеральной частей растворимых загрязнений сточных вод. При сравнении прокаленных сухого и плотного остатков го­родских сточных вод определено, что большая часть органических загряз­нений находится в нерастворенном состоянии. При этом минеральные при­меси в большей степени находятся в растворенном виде.

Взвешенные вещества - показатель, характеризующий количество примесей, которое задерживается на бумажном фильтре при фильтровании пробы. Это один из важнейших технологических показателей качества во­ды, позволяющий оценить количество осадков, образующихся в процессе очистки сточных вод. Кроме того, этот показатель используется в качестве расчетного параметра при проектировании первичных отстойников. Коли­чество взвешенных веществ - один из основных нормативов при расчете необходимой степени очистки сточных вод. Потери при прокаливании взве­шенных веществ определяются так же, как для сухого и плотного остатков, но выражаются обычно не в мг/л, а в виде процентного отношения минеральной части взвешенных веществ к их общему количеству по сухому веществу. Этот показатель называется зольностью. Концентрация взвешенных веществ в го­родских сточных водах обычно составляет 100 - 500 мг/л.

Оседающие вещества — часть взвешенных веществ, оседающих на дно отстойного цилиндра за 2 ч отстаивания в покое. Этот показатель ха­рактеризует способность взвешенных частиц к оседанию, позволяет оце­нить максимальный эффект отстаивания и максимально возможный объем осадка, который может быть получен в условиях покоя. В городских сточ­ных водах оседающие вещества в среднем составляют 50-75% общей кон­центрации взвешенных веществ.

Под окисляемостью понимают общее содержание в воде восстано­вителей органической и неорганической природы. В городских сточных водах подавляющую часть восстановителей составляют органические ве­щества, поэтому считается, что величина окисляемости полностью отно­сится к органическим примесям. Окисляемость - групповой показатель. В зависимости от природы используемого окислителя различают химическую окисляемость, если при определении используют химический окислитель, и биохимическую, когда роль окислительного агента выполняют аэробные бактерии - этот показатель - биохимическая потребность в кислороде -БПК. В свою очередь, химическая окисляемость может быть перманганатной (окислитель КMnO₄), бихроматной (окислитель К₂Сr₂О₇) и иодатной (окислитель KJО₃). Результаты определения окисляемости независимо от вида окислителя выражают в мг/л О₂. Бихроматную и иодатную окисляе­мость называют химической потребностью в кислороде или ХПК.

Перманганатная окисляемость - кислородный эквивалент легкоокисляемых примесей. Основная ценность этого показателя - быстрота и простота определения. Перманганатная окисляемость используется с целью получения сравнительных данных. Тем не менее, есть такие вещества, ко­торые не окисляются КMnO₄. Определяя ХПК, можно достаточно полно оценить степень загрязненности воды органическими веществами.

БПК — кислородный эквивалент степени загрязненности сточных вод биохимически окисляемыми органическими веществами. БПК опреде­ляет количество кислорода, необходимое для жизнедеятельности микроор­ганизмов, участвующих в окислении органических соединений. БПК харак­теризует биохимически окисляемую часть органических загрязнений сточ­ной воды, находящихся в первую очередь в растворенном и коллоидном состояниях, а также в виде взвеси.

Источником соединений фосфора в сточных водах являются фи­зиологические выделения людей, отходы хозяйственной деятельности че­ловека и некоторые виды производственных сточных вод.

Концентрации азота и фосфора в сточных водах - важнейшие пока­затели санитарно-химического анализа, имеющие значение для биологиче­ской очистки. Азот и фосфор - необходимые компоненты состава бактери­альных клеток. Их называют биогенными элементами. При отсутствии азо­та и фосфора процесс биологической очистки невозможен.

Хлориды и сульфаты - показатели, концентрация которых влияет на общее солесодержание.

В группу тяжелых металлов и других токсичных элементов вхо­дит большое число элементов, которое по мере накопления знаний о про­цессах очистки все более возрастает. К токсичным тяжелым металлам от­носят железо, никель, медь, свинец, цинк, кобальт, кадмий, хром, ртуть; к токсичным элементам, не являющимся тяжелыми металлами - мышьяк, сурьма, бор, алюминий и т.д.

Источник тяжелых металлов - производственные сточные воды машиностроительных заводов, предприятий электронной, приборострои­тельной и других отраслей промышленности. В сточных водах тяжелые металлы содержатся в виде ионов и комплексов с неорганическими и орга­ническими веществами.

Синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ) - орга­нические соединения, состоящие из гидрофобной и гидрофильной частей, обусловливающих растворение этих веществ в маслах и в воде. Примерно 75% общего количества производимых СПАВ приходится на долю анионо-активных веществ, второе место по выпуску и использованию занимают неионогенные соединения. В городских сточных водах определяют СПАВ этих двух типов.

Нефтепродукты - неполярные и малополярные соединения, экст­рагируемые гексаном. Концентрация нефтепродуктов в водоемах строго нормируется, и поскольку на городских очистных сооружениях степень их задержания не превышает 85%, в поступающей на станцию сточной воде также ограничивается содержание нефтепродуктов.

Растворенный кислород в поступающих на очистные сооружения сточных водах отсутствует. В аэробных процессах концентрация кислорода должна быть не менее 2 мг/л.

Санитарно-бактериологические показатели включают: определение общего числа аэробных сапрофитов (микробное число), бактерий группы кишечной палочки и анализ на яйца гельминтов.

Микробное число оценивает общую обсемененность сточных вод микроорганизмами и косвенно характеризует степень загрязненности воды органическими веществами - источниками питания аэробных сапрофитов. Этот показатель для городских сточных вод колеблется в пределах 10⁶ – 10⁸ .

1.3. Условия сброса сточных вод в городскую канализацию

При расположении промышленного предприятия в черте города или вблизи него, загрязненные производственные сточные воды могут сбрасываться в городскую водоотводящую сеть. Для предотвращения на­рушения технологического процесса биологической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод, сбрасываемые воды должны удовлетворять опреде­ленным требованиям. Основные из них сводятся к следующему:

• производственные сточные воды не должны быть агрессивными по отношению к материалам водоотводящих сетей и сооружений, не должны содержать примеси такой крупности и такого удельно­го веса, которые могли бы засорять водоотводящую сеть города;

• в производственных сточных водах не должно быть горючих при­месей - бензина, нефтепродуктов, эфиров, а также растворенных газообразных веществ, которые могли бы образовывать взрыво­опасные смеси. При биологической очистке городских стоков концентрация нефтепродуктов не должна превышать допустимого предела для процесса биохимической очистки;

• температура смеси хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод не должна превышать 40°С;

• сбрасываемые в городскую водоотводящую сеть сточные воды не должны содержать бактерий, попадающих с продуктами выработ­ки вакцин и сывороток;

• средние значения рН не должны превышать значений 6,5-7;

• производственные сточные воды, не отвечающие предъявляемым требованиям, подвергаются предварительной очистке на соответствующих локальных установках. Кроме того, предусматривается устройство гидравлических затворов в местах выпуска в городскую водоотводящую сеть.

Общие требования к производственным сточным водам, поступающим в городскую водоотводящую сеть, представлены в табл. 1.1.

Таблица 1.1.

Особое внимание уделяется производственным сточным водам, имеющим радиоактивные элементы. В водоотводящую сеть города не раз­решается сброс таких стоков. Не разрешен также сброс биологически «же­стких» поверхностно-активных веществ и СПАВ.

Санитарная характеристика водоема составляется на основании санитарно-топографического обследования. При этом учитываются также санитарные условия водообеспечения населенных мест. На основании та­ких обследований составлены показатели качества воды источников водо­пользования. Они разделяются на три класса .

Разделение водных источников по классам показывает большой их разброс по качеству и количеству воды. Показатели качества воды изменя­ется в зависимости от гидрогеологических условий объекта, его географического положения, а также от наличия промышленных предприятий (они могут сбрасывать сточные воды в водоем). По своему назначению водные источники делятся на рыбохозяйственные и хозяйственно-бытовые.и культурно-бытовые.

Рыбохозяйственные объекты в свою очередь подразделяются на категории. К первой относят объекты, используемые для сохранения и

воспроизводства ценных пород рыб, обладающих высокой чувствительностью к кислороду. Ко второй - все водные объекты, используемые для других рыбохозяйственных целей.

При выпуске очищенных сточных вод в водоем необходимо учи­тывать категорию водного объекта и ПДК вредных загрязнений. Условие спуска сточных вод в водоемы регламентированы «Правилами охраны по­верхностных вод от загрязнений сточными водами». Этими правилами ус­тановлены нормативы качества воды: для водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования; для водоемов, используемых в рыбохозяйственных целях.

В соответствии с правилами запрещается спуск в водоемы сточных вод, которые могут быть устранены путем перехода на безводное производ­ство или путем повторного и оборотного использования.

Правила устанавливают нормативы качества воды водоемов по ка­тегориям водопользования: к первой категории относятся участки водоемов, используемые в качестве источников для централизованного или не­централизованного питьевого водоснабжения, а также водоснабжения предприятий пищевой промышленности. Ко второй - участки водоемов, используемых для спорта и отдыха населения.

Приведенные в правилах нормативы качества воды в водоемах от­носятся к створам, расположенным на проточных участках на 1 км выше ближайшего пункта водопользования, на непроточных участках и водохра­нилищах — к створам в 1 км в обе стороны от пункта водопользования.

Уточнение категорий водоемов или их участков производится ор­ганами санитарно-эпидемиологической службы и рыбохозяйственных ор­ганизаций. Требования к выпуску сточных вод в море соответствуют нормати­вам приема очищенных сточных вод во внутренние водотоки и водоемы. Однако, имеются и некоторые особенности. Согласно «Правилам санитарной охраны прибрежных вод морей», при разработке соответствующих проектов учитываются границы района морского водопользования по береговой линии. В сторону моря она принимается не менее 2 км от береговой линии, далее на 10 км в обе стороны от границ района водопользования по берегу и в сторону моря. Предусматривается первый пояс санитарной охраны. В границах района водопользования сброс очищенных промышленных и бытовых сточных вод, включая судовые, запрещается.

Спуск сточных вод в непроточные водоемы, моря или водохрани­лища в последнее время стал чаще встречаться в санитарной практике. Этот вопрос недостаточно изучен в отношении разбавления и самоочищения. При спуске сточных вод в непроточные водоемы из-за ограниченности их объема нельзя рассчитывать только на разбавление, не выяснив степень стабильности веществ в сточных водах. Для возможности выпуска сточных вод в такие водоемы необходимо научное обоснование условий спуска сточных вод.

Условия спуска сточных вод в водоемы, изложенные в «Правилах» распространяются на все объекты водоотведения, независимо от их ведом­ственной принадлежности, при обязательном согласовании с органами го­сударственного санитарного надзора и рыбоохраны.

II ОБЩИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

2. АНАЛИЗ САНИТАРНО-ХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СОСТАВА

СТОЧНЫХ ВОД

Показатели санитарно-химического анализа состава сточных вод позволяют оценить возможность использования тех или иных методов и технологий для очистки воды. Для очистных станций важнейшими задача­ми санитарно-химического анализа являются контроль за процессами очи­стки и оценка эффективности работы каждого сооружения.

Полный санитарно-химический анализ воды проводится на станци­ях биологической очистки обычно 1 раз в 10 суток. При этом анализируют­ся среднесуточные пробы, поступающих на станцию сточных вод, и пробы сточных вод после каждого этапа очистки. По результатам анализов рас­считывается эффективность работы очистной станции в целом и отдельных сооружений. Кроме того, измеряются среднесуточные расходы поступаю­щих на станцию сточных вод и выходящих очищенных вод.

Каждый показатель качества воды определенным образом увязан с другими показателям. Комплексная оценка состава воды может быть сде­лана только на основании сопоставления всех показателей санитарно-химического анализа. Однако, в зависимости от целей выполнения анализа могут быть выделены наиболее значимые показатели. Расчет необходимой степени очистки, прежде всего, выполняется по показателям взвешенных веществ и по БПК.

Сточные воды считаются слабозагрязненными при концентрации взвешенных веществ и величине БПК_полн , 100 мг/л каждый, средне загряз­ненными - при концентрации взвешенных веществ и БПК_полн -100-500 мг/л, при величине этих же показателей более 500 мг/л - концен­трированными.

Количество органических примесей, поддающихся биохимическо­му окислению, может быть оценено разностью ХПК - БПК_полн, отношение величин БПК_полн и ХПК также характеризует способность примесей сточ­ных вод к биохимическому окислению. Для бытовых сточных вод это от­ношение составляет величину 0,86, а для производственных - изменяется в широких пределах, но, как правило, оказывается ниже, чем для бытовых. Для сточных вод, прошедших сооружения биологической очистки, соотно­шение величин БПК_полн и ХПК существенно уменьшается.

Рассмотрение показателей БПК, аммонийного азота и фосфатов по­зволяет оценить количество биогенных элементов, необходимых для про­цесса биологической очистки. В соответствии со СНиП 2.03.04-85 отноше­ние БПК_полн :N:Р должно соответствовать пропорции 100:5:1.

III МЕТОДЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД И ОБРАБОТКИ ОСАДКОВ

Методы очистки сточных вод можно разделить на механические, физико-химические и биохимические. В процессе очистки сточных вод об­разуются осадки, которые подвергаются обезвреживанию, обеззаражива­нию, обезвоживанию, сушке, возможна последующая утилизация осадков. Если по условиям сброса сточных вод в водоем, требуется более высокая степень очистки, то после сооружений полной биологической очистки сточных вод устраивают сооружения глубокой очистки. В соответствии с «Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами» сточные воды после очистки перед сбросом в водоем подвергают обеззара­живанию с целью уничтожения патогенных микроорганизмов.

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

Решетки и сита предназначены для задержания крупных загрязне­ний органического и минерального происхождения. Песколовки служат для выделения примесей минерального состава, главным образом, песка. Отстойники задерживают оседающие и плавающие загрязнения сточных вод.

Для очистки производственных сточных вод, содержащих специ­фические загрязнения, применяют сооружения, называемые жироловками, нефтеловушками, масло- и смолоуловителями и др.

Сооружения механической очистки сточных вод являются, предва­рительной стадией перед биологической очисткой. При механической очи­стке городских сточных вод удается задержать до 60% нерастворенных за­грязнений.

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

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

Биологические методы очистки сточных вод основаны на жизне­деятельности микроорганизмов, которые минерализуют растворенные ор­ганические соединения, являющиеся для микроорганизмов источниками питания. Сооружения биологической очистки условно могут быть разделе­ны на два вида. К первому виду относятся сооружения, в которых процесс биологической очистки протекает в условиях, близких к естественным (по­ля фильтрации и биологические пруды). В сооружениях второго вида ана­логичная очистка осуществляется в искусственно созданных условиях - в аэротенках и биофильтрах.

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

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

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

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

Загрязнения, задерживаемые решетками, вывозят с территорий станций очистки, либо дробятся и обрабатываются совместно с осадками из отстойников. Песок из песколовок обезвоживается на песковых площадках и также вывозится или отмывается от органических загрязнений, подсуши­вается и используется в планировочных работах.

Осадок из первичных отстойников и уплотненный осадок из вто­ричных отстойников (активный ил) направляются в метантенки - герметич­ные резервуары, в которых под действием анаэробных микроорганизмов минерализуются органические вещества. Вместо метантенков применяется метод анаэробной стабилизации.

Дальнейшее снижение влажности осадков может достигаться в ап­паратах механического действия - на вакуум-фильтрах, фильтр-прессах, центрифугах.

Иловые площадки устраиваются для обезвоживания в естествен­ных условиях сброженного в метантенках осадка.

Замкнутые системы водного хозяйства промышленных предприятий

Основным направлением уменьшения сброса сточных вод и загрязнения ими водоемов является создание замкнутых систем водного хозяйства.

Под замкнутой системой водного хозяйства промышленного пред­приятия понимается система, в которой вода используется в произ­водстве многократно без очистки или после соответствующей обра­ботки, исключающей образование каких-либо отходов и сброс сточ­ных вод в водоем.

Под замкнутой системой водного хозяйства территориально-про­мышленного комплекса, района или центра понимается система, включающая использование поверхностных вод, очищенных цро-мышленных и городских сточных вод на промышленных предприя­тиях, на земледельческих полях для орошения при выращивании сель­скохозяйственных культур, для полива лесных угодий, для поддер­жания объема (уровня) воды водоемов, исключающих образование каких-либо отходов и сброс сточных вод в водоем.

Подпитка замкнутых систем свежей водой допускается в случае, если недостаточно очищенных сточных вод для восполнения потерь воды в этих системах, допускается также расход ее в технологических операциях, в которых очищенные сточные воды не могут быть использованы по условиям технологии или гигиены. Свежая вода расходуется только для питьевых и хозяйственно-бытовых целей.

Необходимость создания замкнутой системы производственного водоснабжения обусловлена:

1. дефицитом воды;

2. исчерпанием ассими­лирующей разбавляющей и самоочищающей способности водного объекта, принимающего сточные воды;

3. экономическими преимуще­ствами перед очисткой сточных вод до требований, предъявляемых водоохранным контролем.

Таким образом, организация замкнутой системы целесообразна, когда затраты на рекуперацию воды и ве­ществ, выделенных из сточной воды и переработанных до товарного продукта или вторичного сырья, ниже суммарных затрат на водоподготовку и очистку- сточной воды до показателей, позволяющих сбрасывать ее в водные объекты без загрязнения последних. В тех случаях, когда создание замкнутых систем водоснабжения диктует­ся экологическими требованиями, должен быть выбран оптималь­ный вариант с экономической точки зрения.

Замкнутая система должна обеспечить рациональное исполь­зование воды во всех технологических процессах, максимальную рекуперацию компонентов сточных вод, сокращение капитальных и эксплуатационных затрат, нормальные санитарно-гигиенические ус­ловия работы обслуживающего персонала, исключение загрязнения окружающей среды.

Очищенная вода должна соответствовать качеству технологичес­кой воды. Замкнутые системы водного хозяйства следует вводить на вновь строящихся предприятиях и на действующих, подлежащих ре­конструкции. В последнем случае, внедрение замкнутых систем идет постадийно с постоянным увеличением оборотного водоснабжения по мере усовершенствования технологии.

Оценка систем водного хозяйства проводится путем сравнения следующих показателей: удельного расхода воды, в том числе све­жей, на единицу продукции; удельного расхода реагентов, электро­энергии и тепла на очистку сточных вод; абсолютного количества товарного продукта, получаемого при очистке сточных вод; эконо­мических показателей, в том числе себестоимости, рентабельности, фондоемкости, фондоотдачи; годового экономического эффекта по приведенным затратам; экологических показателей (о закачке жид­ких отходов в подземные горизонты, складировании твердых отхо­дов, о состоянии воздушного бассейна, флоры и фауны).

Механические методы очистки сточных вод

Удаление взвешенных частиц из сточных вод

Промышленные и бытовые сточные воды содержат взвешенные частицы малорастворимых и нерастворимых веществ. Взвешенные примеси подразделяются на твердые и жидкие, образуют с водой дисперсную систему. В зависимости от размера частиц дисперсные системы делят на три группы: 1) грубодисперсные системы с части­цами размером более 0,1 мкм (суспензии и эмульсии); 2) коллоид­ные системы с частицами размером от 0,1 мкм — 1 нм; 3) истинные растворы, имеющие частицы, размеры которых соответствуют раз­мерам отдельных молекул или ионов.

Д.ля удаления взвешенных частиц из сточных вод используют гид­ромеханические процессы (периодические и непрерывные) проце­живания, отстаивания (гравитационное и центробежное) фильтро­вание. Выбор метода зависит от размера частиц примесей, физико-химических свойств и концентрации взвешенных частиц, расхода сточных вод и необходимой степени очистки.

При неравномерном образовании сточных вод на производстве перед передачей на очистные сооружения их усредняют по расходe и концентрации в усреднителях различной конструкции. Этим обес­печивается устойчивость процессов очистки.

Процеживание и отстаивание

Процеживание. Перед более тонкой очисткой сточные воды про­цеживают через решетки и сита, которые устанавливают перед от­стойниками с целью извлечения из них крупных примесей, которые могут засорить трубы и каналы. Решетки могут быть неподвижными, подвижными, а также со­вмещенными с дробилками (комминуторы). Наибольшее распрост­ранение имеют неподвижные решетки. Решетки изготовляют из ме­таллических стержней и устанавливают на пути движения сточных вод под утлом 60-75°. Стержни могут иметь круглое или прямоугольное сечение. Стержни с круглым сечением имеют меньшее со­противление, но быстрей засоряются, поэтому чаще используют прямоугольные стержни, закругленные со стороны входа воды в решет­ку. Решетки очищают граблями, которые могут быть установлены по-разному (Рис. II-4).

Ширина прозоров в решетке равна 16-19мм. Скорость сточной воды между стержнями принимается равной 0,8-1 м/с.

Отстаивание. Отстаивание применяют для осаждения из сточных вод грубодисперсных примесей. Осаждение происходит под действием силы тяжести. Для проведения процесса используют песколовки, отстой­ники и осветлители. В осветлителях одновременно с отстаиванием про­исходит фильтрация сточных вод через слой взвешенных частиц.

Как правило, сточные воды содержат взвешенные частицы раз­личной формы и размера. Такие воды представляют собой полидис­персные гетерогенные агрегативно-неустойчивые системы. В процес­се осаждения размер, плотность и форма частиц, а также физичес­кие свойства системы изменяются. Кроме того, при слиянии различ­ных по химическому составу сточных вод могут образовываться твер­дые вещества, в том числе и коагулянты. Эти явления также оказы­вают влияние на форму и размеры частиц. Все это усложняет уста­новление действительных закономерностей процесса осаждения.

Свойства сточных вод, естественно, отличаются от свойств чис­той воды. Они имеют более высокую плотность и вязкость.

Песколовки. Их применяют для предварительного выделения ми­неральных и органических загрязнений (0,2-0,25 мм) из сточных вод. Горизонтальные песколовки представляют собой резервуары с треуголь­ным или трапецеидальным поперечным сечением. Глубина песколовок 0,25-1 м. Скорость движения воды в них не превышает 0,3 м/с. Разно­видностью горизонтальных песколовок являются песколовки с крото­вым движением воды в виде круглого резервуара конической формы с периферийным лотком для протекания сточной воды. Осадок собирает­ся в коническом днище, откуда его направляют на переработку или в отвал. Применяются при расходах до 7000 м³/сут. Вертикальные песко­ловки имеют прямоугольную или круглую форму, в них сточные воды движутся с вертикальным восходящим потоком со скоростью 0,05 м/с.

Конструкцию песколовки выбирают в зависимости от количества сточных вод, концентрации взвешенных веществ. Наиболее часто ис­пользуют горизонтальные песколовки.

Горизонтальные отстойники. Они представляют собой прямо­угольные резервуары, имеющие два и более одновременно работаю­щих отделения (Рис. II-7, а). Вода движется с одного конца отстойни­ка к другому.

Глубина отстойников равна Н = 1,5-4 м, длина 8-12 м, а ширина коридора 3-6 м. Равномерное распределение сточной воды дости­гается при помощи поперечного лотка. Горизонтальные отстойники ре­комендуется применять при расходах сточных вод свыше 15000 м³/сут. Эффективность отстаивания достигает 60%.

В отстойнике каждая частица движется с потоком воды со ско­ростью w и под действием силы тяжести вниз — w_ОС. Таким образом, скорость перемещения каждой частицы будет представлять равнодей­ствующую двух этих скоростей. В отстойнике успеют осесть только те частицы, траектория которых пересекает дно отстойника в пределах его длины. Горизонтальную скорость движения воды в отстойнике прини­мают не более 0,01 м/с. Продолжительность отстаивания 1-3 ч.

Вертикальные отстойники. Отстойник представ­ляет собой цилиндрический (или квадратный в плане) резервуар с коническим днищем (Рис. II-7, б). Сточную воду подводят по центральной трубе. После поступления внутрь отстойника вода движется снизу вверх к желобу. Для лучшего ее распределения и предотвращения образова­ния мути трубу делают с раструбом и распределительным щитом. Таким образом, осаждение происходит в восходящем потоке, скорость которого равна 0,5-0,6 м/с. Высота зоны осаждения — 4-5 м. Каж­дая частица движется с водой вверх со скоростью v и под действием силы тяжести вниз w_ОС . Поэтому различные частицы будут занимать различное положение в отстойнике. При w_ОС v будут быстро осе­дать, при w_ОС v — уноситься вверх. Эффективность осаждения вер­тикальных отстойников ниже на 10-20%, чем в горизонтальных.

Радиальные отстойники. Они представляют собой круглые в пла­не резервуары (Рис. II-7, в). Вода в них движется от центра к периферии. При этом минимальная скорость наблюдается у периферии. Такие от­стойники применяют при расходах сточных вод свыше 20 000 м³/сут. Глубина проточной части отстойника — 1,5-5 м, а отношение диаметра к глубине от 6 до 30. Обычно используют отстойники диаметром 16-60 м. Эффективность их осаждения составляет 60%.

Повысить эффективность отстаивания можно путем увеличения скорости осаждения, увеличив размеры частиц коагуляцией и флокуляцией или уменьшив вязкость сточной воды путем нагревания. Кроме того, можно увеличить площадь отстаивания и проводить про­цесс осаждения в топком слое жидкости. В последнем случае исполь­зуют трубчатые и пластинчатые отстойники. При малой глубине от­стаивания процесс протекает за короткое время (4-10 мин), что по­зволяет уменьшить размеры отстойников.

Рабочими элементами трубчатых отстойников являются трубки диаметром 25-50 мм и длиной 0,6-1 м. Трубки можно устанавли­вать с малым (до 5°) и большим (45-60°) наклоном. Трубчатый от­стойник с небольшим наклоном работает периодически. Сначала проводят отстаивание, затем промывку трубок от осад­ка. Для успешного проведения процесса необходимо равномерное рас­пределение воды по трубкам и ламинарный режим движения. Такие отстойники используют для осветления сточных вод с небольшим содержанием взвешенных частиц при расходах 100-10000 м³/сут. Гидравлическая нагрузка у отстойников 6-10 м³/ч на 1 м* входного сечения трубок. Эффективность очистки 80-83%.

В трубчатых отстойниках с большим наклоном вода проходит снизу вверх, а осадок непрерывно сползает по дну трубок в шламовое про­странство. Непрерывное удаление осадка исключает необходимость промывки трубок. Отстойники этого типа могут быть изготовлены из пластмассовых блоков, которые устанавливают в корте ах обычных от­стойников. Гидравлическая нагрузка отстойников с большим наклоном труб от 2,4 до 7,2 м³/ч на 1 м² входного сечения труб.

Удаление всплывающих примесей

Процесс отстаивания используют и для очистки производствен­ных сточных вод от нефти, масел, смол, жиров и др. Очистка от всплы­вающих примесей аналогична осаждению твердых веществ. Разли­чие заключается в том, что плотность всплывающих частиц меньше, чем плотность воды. Для улавливания частичек нефти используют нефтеловушки. Для улавливания жиров применяют жироловушки. Схема горизонтальной прямоугольной нефтеловушки показана на рисунке Рис. II-10, а.

Всплывание нефти на поверхность воды происходит в отстойной камере. При помощи скребкового транспорта нефть по­дают к нефтесборным трубам, через которые она удаляется. Скорость движения воды в нефтеловушке изменяется в пределах 0,005—0,01 м/с. Для частичек нефти диаметром 80-100 мкм скорость всплывания равна 1-4 мм/с. При этом всплывает 96-98% нефти. Горизонталь­ные нефтеловушки имеют не менее двух секций. Ширина секций 2-3м, глубина отстаиваемого слоя воды 1,2-1,5м; продолжительность отстаивания не менее 2 ч.

Имеются также радиальные и полочные тонкослойные нефтело­вушки, представляющие собой усовершенствованные конструкции горизонтальных нефтеловушек. Они имеют меньшие габариты и более экономичны. Расстояние между полками равняет­ся 50 мм, угол наклона полок 45°, время пребывания сточных вод в зоне отстаивания 2-4 мин, толщина слоя всплывающих нефтепро­дуктов 0,1 м; остаточное содержание их в воде 100 мг/л.

Сточные воды маслозаводов, фабрик первичной обработки шер­сти, мясокомбинатов, столовых содержат жиры. Для их улавливания используют жироловушки, которые устроены аналогично нефтело­вушкам. Для увеличения эффективности удаления из вод жира при­меняют аэрированные жироловушки.

Фильтрование

Фильтрование применяют для выделения из сточных вод тонкодиспергированных твердых или жидких веществ, удаление которых отстаиванием затруднено. Разделение проводят при помощи порис­тых перегородок, протекающих жидкость и задерживающих дис­пергированную фазу. Процесс идет под действием гидростатическо­го давления столба жидкости, повышенного давления над перего­родкой или вакуума после перегородки.

Фильтрование через фильтрующие перегородки. Выбор пе­регородок зависит от свойств сточной воды, температуры, давления фильтрования и конструкции фильтра.

В качестве перегородки используют металлические перфориро­ванные листы и сетки из нержавеющей стали, алюминия, никеля, меди, латуни и др., а также разнообразные тканевые перегородки (ас­бестовые, стеклянные, хлопчатобумажные, шерстяные, из искусст­венного и синтетического волокна).

Для химически агрессивных сточных вод при повышенной тем­пературе и значительных механических напряжениях наиболее при­годны металлические перегородки, изготовляемые из перфорирован­ных листов, сеток и пластин, получаемых при спекании сплавов.

Фильтровальные перегородки, задерживающие частицы, должны обладать минимальным гидравлическим сопротивлением, дос­таточной механической прочностью и гибкостью, химической стойкостью и не должны набухать и разрушаться при заданных условиях фильтрования. По материалу, из которого изготовляют перегодки, их разделяют на органические и неорганические, по принципу дей­ствия — на поверхностные и глубинные, а по структуре — на гиб­кие и негибкие.

Глубинные фильтровальные перегородки обычно применяют при осветлении суспензий с малой концентрацией твердой фазы, кото­рая, проникая внутрь перегородки, задерживается в порах, оседает и адсорбируется. На поверхностных, фильтровальных перегородках проникания частиц в поры перегородки не происходит.

Процесс фильтрования проводят с образованием осадка на по­верхности фильтрующей перегородки или с закупоркой пор фильт­рующей перегородки.

Осадки, которые образуются в процессе фильтрования, могуг быть сжимаемыми и несжимаемыми. Сжимаемые осадки характеризуются уменьшением порозности вследствие уплотнения и увеличением сопротивления с ростом перепада давлений. У несжимаемых осад­ков порозность и сопротивление потоку жидкости в процессе фильт­рования остаются постоянными. К таким осадкам относят вещества минерального происхождения (песок, мел, сода и др.) с размером частиц 100 мкм. Производительность фильтра определяется скоро­стью фильтрования, т.е. объемом воды, прошедшей в единицу вре­мени через единицу поверхности.

Процесс фильтрования можно проводить при постоянной разности давлений или при постоянной скорости.

Для фильтрования используют различные по конструкции фильтры. Основные требования к ним: высокая эффективность выделе­ния примесей и максимальная скорость фильтрования.

Рис. Ленточный фильтр

Фильтры подразделяют по различным признакам: по характеру протекания процесса — периодические и непрерывные, по виду про­цесса — для разделения, сгущения и осветления; по давлению при фильтровании — под вакуумом (до 0,085 МПа), под давлением (от 0,3 до 1,5 МПа) или при гидростатическом давлении столба жидко­сти (до 0,05 МПа); по направлению фильтрования — вниз, вверх или вбок; по конструктивным признакам; по способу съема осадка, наличию промывки и обезвоживания осадка, по форме и положе­нию поверхности фильтрования.

В системах очистки сточных вод используют фильтры периоди­ческого действия: нутч-фильтры, листовые и фильтр-прессы и филь­тры непрерывного действия: барабанные, дисковые, ленточные.

Из фильтров периодического действия наиболее простыми по ус­тройству являются нутч - или друк-фильтры. Они предназначены для разделения нейтральных, кислых и щелочных суспензий. Фильтры представляют собой емкость с ложным перфорированным днищем, на котором закреплена фильтровальная ткань. Нижняя часть фильт­ра присоединяется к вакуумной системе через ресивер. Осадок, на­капливающийся на ткани, удаляют вручную.

Для разделения труднофильтруемых суспензий применяют фильтр-прессы., работающие при давлении 0,3-1,2 МПа. Рамные фильтр-прессы используют при фильтровании разных суспензий; пре­дусматривается возможность промывки и продувки осадка.

Фильтр-пресс ФПАКМ имеет поверхность фильтрования 2,5, 5 и 12,5 м² его применяют для очистки сточных вод химических произ­водств. Он работает под давлением 1,5 МПа, обеспечивает эффек­тивную промывку осадка, отличается минимальным временем вспо­могательных операций.

Листовой фильтр представляет собой емкость, в которой разме­щены листовые элементы. Фильтровальный элемент представляет собой полую раму с проволочной сеткой, обтянутую снаружи филь­тровальной тканью. Суспензия поступает внутрь аппарата. В про­цессе фильтрования осадок намывается на фильтровальный элемент, а фильтрат непрерывно отводится из емкости. По окончании процес­са фильтрования осадок сжатым воздухом удаляют с фильтрующих элементов внутрь емкости и выводят через специальный штуцер. Наиболее эффективно листовые фильтры используют в процессах сгущения суспензий.

Для разделения труднофильтруемых суспензий разработаны не­прерывные высокопроизводительные барабанные вакуум-фильтры со сходящим полотном и поверхностью фильтрования до 40 м² (рис. II-11). При вращении барабана жидкая фаза поступает в его внутрен­нюю полость под действием вакуума, а через распределительное устройство выводятся из барабана. Твердая фаза собирается на поверх­ности полотна, от которого отделяется ножом. Регенерация ткани производится промывной жидкостью, подаваемой под давлением че­рез систему насадок.

Стенная вода

Промывная вода

Рис. II-11. Барабанный вакуум-фильтр со сходящим полотном: 1 — фильтро­вальная ткань; 2, 5, 7 — ролики; 3 — нож; 4 — сопло для подачи промывной воды; 6-— лоток для удаления промывной жидкости; 8 — корыто

Для различных целей очистки сточных вод и для обезвоживания осадков широко применяют барабанные, дисковые и ленточные ва­куум-фильтры непрерывного действия. Барабанные вакуум фильт­ры используют для разделения суспензий, быстро образующих оса­док. Дисковые фильтры предназначены преимущественно для филь­трования суспензий с невысокой скоростью осаждения твердой фазы, а также для разделения легкоиспаряющихся, вязких, окисляемых и токсичных суспензий.

Фильтры с зернистой перегородкой. В процессах очистки сточ­ных вод как правило приходится иметь дело с большим количеством воды, поэтому применяют фильтры, для работы которых не требует­ся высоких давлений. Исходя из этого, используют фильтры с сетча­тыми элементами (микрофильтры и барабанные сетки) и фильтры с фильтрующим зернистым слоем.

Механизмы извлечения частиц из воды сводятся к следующим: 1) процеживание, при котором извлечение частиц является чисто ме­ханическим; 2) гравитационное осаждение; 3) инерционное захва­тывание; 4) химическая адсорбция; 5) физическая адсорбция; 6) ад­гезия; 7) коагуляционнос осаждение; 8) биологическое выращива­ние. В общем случае эти механизмы могут действовать совместно, и процесс фильтрования состоит из трех стадий: 1) перенос частиц на поверхность вещества, образующего слой; 2) прикрепление к поверх­ности; 3) отрыв от поверхности.

По характеру механизма задерживания взвешенных частиц раз­личают два вида фильтрования: 1) фильтрование через пленку (оса­док) загрязнений, образующуюся на поверхности зерен загрузки; 2) фильтрование без образования пленки загрязнений. В первом случае задерживаются частицы, размер которых больше пор материала, а затем образуется слой загрязнений, который является также фильт­рующим материалом. Такой процесс характерен для медленных филь­тров, которые работают при малых скоростях фильтрования. Во вто­ром случае фильтрование происходит в толще слоя загрузки, где ча­стицы загрязнений удерживаются на зернах фильтрующего материала адгезионными силами. Такой процесс характерен для скорост­ных фильтров. Величина сил адгезии зависит от крупности и формы зерен, от шероховатости поверхности и ее химического состава, от скорости потока и температуры жидкости, от свойств примесей.

Фильтры с зернистым слоем подразделяют на медленные и ско­ростные, открытые и закрытые. Высота слоя в открытых фильт­рах равна 1-2 м, в закрытых 0,5-1 м. Напор воды в закрытых филь­трах создается насосами.

Медленные фильтры используют для фильтрования некоагулированных сточных вод. Они представляют собой бетонные или кир­пичные резервуары с дренажным устройством, на котором располо­жен зернистый слой. Скорость фильтрования в них зависит от кон­центрации взвешенных частиц: до 25 мг/л принимают скорость филь­трования 0,2-0,33 м/ч; при 25-30 мг/л — 0,1-0,2 м/ч. Достоинством фильтров является высокая степень очистки сточных вод. Недостат­ки: большие размеры, высокая стоимость и сложная очистка от осадка.

Скоростные фильтры могут быть двух типов: однослойные и многослойные. У однослойных фильтров фильтрующий слой состо­ит из одного и того же материала, у многослойных—из различных мате­риалов. Схема одного из скоростных фильтров показана на рис.II-12. а.

Сточную воду подают внутрь фильтра, где она проходит через фильтрующий материал и дренаж и удаляется из фильтра. После за­сорения фильтрующего материала проводят промывку подачей про­мывных вод снизу вверх. Дренажное устройство выполняют из пористобетонных сборных плит. На нем размещают фильтрующий ма­териал (в 2-4 слоя) одного гранулометрического состава. Общая вы­сота слоя загрузки равняется 1,5-2 м. Скорость фильтрования при­нимается равной 12-20 м/ч.

В многослойных скоростных фильтрах фильтрующий слой со­стоит из зерен разных материалов. Например, из слоя антрацита и песка. Верхние слои имеют зерна большего размера, чем нижние. Конструкция этих фильтров мало отличается от конструкции одно­слойных. Они имеют более высокую производительность и большую продолжительность фильтрования.

Выбор типа фильтра для очистки сточных вод зависит от количе­ства фильтрующих вод, концентрации загрязнений и степени их дис­персности, физико-химических свойств твердой и жидкой фаз и от требуемой степени очистки.

Промывку фильтров, как правило, производят очищенной водой (фильтратом), подавая ее снизу вверх. При этом зерна загрузки пере­ходят во взвешенное состояние и освобождаются от прилипших час­тиц загрязнений. Может быть произведена водо-воздушная промыв­ка, при которой сначала зернистый слой продувают воздухом для разрыхления, а затем подают воду. Интенсивность подачи воздуха изменяется в пределах 18-22 л/(м² -с), а воды — 6-7 л/(м² с). Воз­можна и трехэтапная промывка. Сначала слой продувают воздухом, а затем смесью воздух — вода; на последнем этапе — водой. Про­должительность промывки 5-7 мин.

Особенностью фильтра с подвижной загрузкой является верти­кальное расположение фильтрующей загрузки и горизонтальное дви­жение фильтруемой воды. Фильтрующим материалом служит квар­цевый песок (1,5-3 мм) или гранитный щебень (3-10 мм). Схема фильтра показана на рис. II-12.6.

Сточная вода поступает в коллектор, откуда через каналы и от­верстия поступает в фильтрующий слой. Очищенную воду отводят из фильтра через дренажную камеру. Загрязненный материал пере­качивают гидроэлеватором по трубе в промывное устройство. Рас­четная скорость фильтрации 15 м/ч; расход промывной воды 1-2% от производительности фильтра; необходимый напор перед фильт­ром 2-2р м. Эффективность очистки составляет 50-55%.

Достоинства фильтров: большая скорость фильтрации, высокое качество отмывки загрузки от загрязнений, небольшая производствен­ная площадь, занимаемая фильтром. Недостатки: большая металло­емкость, истирание стенок трубопроводов, измельчение и унос пес­ка, сложность эксплуатации.

центробежных сил и отжиманием

Осаждение взвешенных частиц под действием центробежной силы проводят в гидроциклонах и центрифугах.

Гидроциклоны. Для очистки сточных вод используют напорные и открытые (низконапорные) гидроциклоны. Напорные гидроцик­лоны применяют для осаждения твердых примесей, а открытые— для удаления осаждающих и всплывающих примесей. Гидроцикло­ны просты по устройству, компактны, их легко обслуживать. Они отличаются высокой производительностью и небольшой стоимостью.

При вращении жидкости в гидроциклонах на частицы действу­ют центробежные силы, отбрасывающие тяжелые частицы к пери­ферии потока, силы сопротивления движущегося потока, гравита­ционные силы и силы инерции. Силы инерции незначительны, и ими можно пренебречь. При высоких скоростях вращения центробежные силы значительно больше сил тяжести.

Скорость движения частицы в жидкости под действием центро­бежной силы зависит от ее диаметра d, разности плотностей фаз Δρ, вязкости μ и плотности р_с сточной воды и от ускорения центробеж­ного поля I .

Кроме физических свойств жидкости на эффективность работы гидроциклонов влияют конструктивные параметры (диаметр аппа­рата и устройство впускных и сливных патрубков). Из напорных гид­роциклонов наибольшее распространение получил аппарат коничес­кой формы (рис. II-13, а).

Сточную воду тангенциально подают внутрь гидроциклона. При вращении жидкости под действием центробежной силы внутри гид­роциклона образуется ряд потоков. Жидкость, войдя в цилиндричес­кую часть, приобретает вращательное движение и движется около стенок по винтовой спирали вниз к сливу. Часть ее с крупными час­тицами удаляется из гидроциклона. Другая часть (осветленная) по­ворачивает и движется вверх около оси гидроциклона. Кроме того, возникают радиальные и замкнутые циркуляционные токи. В цент­ре образуется воздушный столб, давление которого меньше атмос­ферного. Он оказывает влияние на эффективность гидроциклонов.

Гидроциклоны изготовляются диаметром от 10 до 700 мм. высо­та цилиндрической части примерно равна диаметр) аппарата. Угол конусности равен 10-20°.

Эффективность гидроциклонов находится на уровне 70%. При уменьшении вязкости сточной воды скорость осаждения частиц в поле центробежных сил увеличивается. С ростом плотности жидкости уменьшается разность плотностей фаз и для частиц тяжелее воды. Это сопровождается снижением их скорости движения в центробежном поле, а для частиц легче воды — увеличением скорости движения.

Скорость осаждения пропорциональна квадрату скорости враще­ния частиц. Эту величину в первом приближении можно считать рав­ной скорости воды на входе в аппарат. Скорость воды на входе мож­но увеличить уменьшением площади сечения входного патрубка или увеличением расхода жидкости. Однако это можно делать до опреде­ленного предела, так как при увеличении расхода воды снижается время пребывания ее в гидроциклоне, а при уменьшении сечения патрубка возрастает турбулентное перемешивание, которое отрица­тельно сказывается на скорости осаждения частиц.

Для снижения скорости жидкости на входе в циклон в патрубке устраивают специальные вращающиеся распределительные устрой­ства, напоминающие роторы турбин. Такие аппараты называют турбогидроциклонами.

Гидроциклоны малого диаметра объединяют в общий агрегат, в котором они работают параллельно. Такие аппараты называют мультигидроциклонами. Мультициклоны наиболее эффективны при очи­стке небольших количеств воды от тонкодиспергированных приме­сей. Увеличение производительности этих аппаратов достигается путем компоновки их в блоки со значительным числом рабочих еди­ниц (рис. II-13, б). Для глубокой очистки.„последовательно устанав­ливают гидроциклоны разных типоразмеров.

Открытые (безнапорные) гидроциклоны. Их применяют для очистки сточных вод от крупных примесей (гидравлической крупностью 5 мм/с). От напорных гидроциклонов они отличаются большей производительностью и меньшим гидравлическим сопро­тивлением. Схема одного из гидроциклонов — с внутренним цилин­дром и конической диафрагмой показана на рис. II-13, б.

Сточную воду тангенциально подают в пространство, ограничен­ное внутренним цилиндрам. Поток по спирали движется вверх. Дойдя до верха цилиндра, он разделяется на два потока. Один из них (ос­ветленная вода) движется к центральному отверстию диафрагмы и. пройдя се. попадает в лоток. Другой поток со взвешенными частица­ми направляется в пространство между стенками цилиндра и гидроцилиндра и поступает в коническую его часть.

Многоярусные гидроциклоны. В многоярусных гидроцикло­нах рабочий объем разделен коническими диафрагмами на несколько ярусов, каждый из которых работает самостоятельно. В этой кон­струкции использован принцип тонкослойного отстаивания (более полное использование объема аппарата, уменьшение времени пре­бывания при одинаковой степени очистки). Схема гидроциклона показана на рис. II-13, г.

Сточная вода из аванкамер через щели поступает в пространство между ярусами, где движется по спирали к центру. При этом происходит осаждение из нее твердых частиц на нижние диафрагмы ярусов. Осадок сползает и через щели попадает в коническую часть. Осветленная вода попадает в кольцевой поток.

Конструктивные размеры многоярусных гидроциклонов: диаметр 3-6 м; высота яруса 130-200 мм; число ярусов 4-20; диаметр отвер­стия диафрагмы 0,6-1,4 м; ширина шламоотводящей щели 100 мм; число впусков 3; скорость воды на входе в аппарат принимается рав­ной 0,5 м/с.

Центрифуги. Для удаления осадков из сточных вод могут быть использованы фильтрующие и отстойные центрифуги. Центробеж­ное фильтрование достигается вращением суспензии в перфориро­ванном барабане, обтянутом сеткой или фильтровальной тканью. Осадок остается на стенках барабана. Его удаляют вручную или но­жевым съемом. Такое фильтрование наиболее эффективно, когда надо получать продукт с наименьшей влажностью и требуется промывка осадка.

Фильтрующие центрифуги применяют для разделения суспензий, когда требуется высокая степень обезвоживания осадка и эффективная его промывка, а также в тех случаях, когда используется обезво­женный осадок и достаточно чистый фильтрат.

Центрифуги могут быть периодического или непрерывного дей­ствия; горизонтальными, вертикальными или наклонными; разли­чаются по расположению вала в пространстве; по способу выгрузки осадка из ротора (с ручной, ножевой, поршневой, шнековой или цен­тробежной выгрузкой). Они могут быть в герметизированном и негерметизированном исполнении.