Под обработкой сточных вод понимают воздействие на них с целью обеспечения необходимых свойств и состава.
Очистка сточных вод - это обработка воды с целью разрушения или удаления из них определенных веществ.
Обработку и очистку сточных вод производят гидромеханическими, физико-химическими, химическими, электрохимическими, биохимическими, термическими методами. Выбор метода зависит от размера частиц примесей, их физико-химических свойств, концентрации веществ, расхода сточных вод и необходимой степени очистки.
Гидромеханическую очистку применяют для удаления из производственных сточных вод нерастворимых примесей. Основными процессами гидромеханической очистки являются:
• процеживание сточной жидкости через решетки и сетки для выделения крупных примесей и посторонних предметов;
• улавливание в песколовках тяжелых примесей, проходящих через решетки и сетки;
• отстаивание воды для удаления нерастворяющихся тонущих и плавающих органических и неорганических примесей, не задерживаемых решетками и песколовками;
• удаление твердых взвешенных частиц в гидроциклонах;
• фильтрование через различные фильтры для улавливания тонкодисперсных взвесей.
К физико-химическим методам очистки сточных вод относят флотацию, адсорбцию, ионный обмен, экстракцию, выпаривание, дистилляцию, обратный осмос и ультрафильтрацию, кристаллизацию, десорбцию, дезодорацию и др. Эти методы используют для удаления из сточных вод мелкодисперсных взвешенных частиц, растворенных газов, минеральных и органических веществ.
Выбор того или иного метода очистки проводят с учетом санитарных и технологических требований, предъявляемых к очищенным производственным сточных водам с целью дальнейшего их использования, а также с учетом объема сточных вод и концентрации в них загрязнений, необходимых материальных и энергетических ресурсов, экономичности процесса.
Флотацию применяют для удаления из сточных вод нерастворимых диспергированных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются. В некоторых случаях флотацию используют и для удаления растворенных веществ, например поверхностно активных веществ (ПАВ). При флотации в очищаемую жидкость подают воздух, мелкие пузырьки которого всплывают на поверхность воды, увлекая за собой частички загрязнителя, и образуют пенообразный слой, насыщенный флотируемым веществом. Флотация в десятки раз повышает скорость всплывания частиц и поэтому ее применение весьма эффективно.
Адсорбцию широко применяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках, если концентрация этих веществ в воде невелика и они биологически не разлагаются или являются высокотоксичными. Адсорбцию используют для очистки сточных вод от гербицидов, пестицидов, фенолов, ароматических и нитросоединений, ПАВ, красителей и др.
Адсорбционная очистка может быть регенеративной, т. е. с извлечением из адсорбента уловленных им веществ и дальнейшим их использованием, или деструктивной, при которой извлеченные из сточных вод загрязнения уничтожаются, как не имеющие технической ценности, иногда вместе с адсорбентом. Ценные вещества, поглощенные адсорбентом, могут быть извлечены из него экстракцией органическими растворителями, отгонкой адсорбированного вещества с водяным паром, испарением
л
этого вещества током нагретого инертного газа и другими способами. В качестве сорбентов используют активные угли, синтетические вещества и некоторые отходы производства (золу, шлаки, опилки, бурый уголь, торф, коксовую мелочь).
Ионообменная очистка применяется для извлечения из сточных вод металлов, а также соединений мышьяка, фосфора, цианистых соединений, радиоактивных и многих других веществ. Метод позволяет рекуперировать ценные вещества при высокой степени очистки воды. Ионный обмен широко распространен при обессоливании в процессе водоподготовки.
Процесс основан на взаимодействии водного раствора с ионитами, способными обмениваться своими подвижными ионами с раствором.
Жидкостная экстракция применяется для очистки сточных вод, содержащих фенолы, масла, органические кислоты, ионы металлов и др. Экстракция экономически выгодна лишь тогда, когда стоимость извлекаемых веществ компенсирует все затраты на проведение процесса. В большинстве случаев экстракция оправдана при концентрации примесей 3,0-4,0 г/л.
Сущность экстракции заключается в том, что сточную воду смешивают с экстрагентом, т. е. с такой жидкостью, в которой загрязняющее стоки вещество растворяется лучше, чем в воде, а сам экстрагент не смешивается с водой. При проведении процесса экстракции образуются две фазы. Одна фаза - экстракт - содержит извлекаемое вещество и экстрагент; другая - рафинат - сточную воду и экстрагент. Затем экстракт и рафинат отделяют друг от друга, и осуществляется регенерация экстрагента от экстракта и рафината. Регенерированный экстрагент снова направляется в процесс экстракции.
Обратный осмос и улътрафильтрация заключаются в фильтровании очищаемых сточных вод через полупроницаемые мембраны под давлением, превышающим осмотическое. Мембраны частично или полностью задерживают молекулы или ионы растворенного вещества. При обратном осмосе отделяются молекулы или гидратированные ионы, размеры которых не превышают размеры молекул растворителя. При ультрафильтрации размер отдельных частиц на порядок больше, но максимальные их размеры не превышают 0,5 мкм. Давление, необходимое для проведения процесса обратного осмоса (6-10 МПа), значительно больше, чем для процесса ультрафильтрации (0,1-0,5 МПа). Обратный осмос широко используется для обессоливания воды в системах водоподготовки ТЭЦ, а также других отраслей промышленности, для очистки некоторых промышленных и городских сточных вод.
Десорбция летучих примесей состоит в том, что сточные воды, загрязненные летучими примесями (сероводород, диоксид серы, сероуглерод, аммиак, диоксид углерода и др.), очищаются при пропускании воздуха или другого инертного малорастворимого в воде газа через сточную воду. При этом летучий компонент диффундирует в газовую фазу.
Дезодорация применяется для удаления из сточных вод неприятно пахнущих веществ (одорантов) - меркаптанов, аминов, аммиака, сероводорода и др.
Для дезодорации сточных вод используются различ- L ные способы: аэрация, хлорирование, ректификация, дис- ■ тилляция, обработка дымовыми газами, окисление кислородом под давлением, озонирование, экстракция, адсорб- I ция и микробиологическое окисление. При выборе метода необходимо учитывать его эффективность и экономиче- [ скую целесообразность.
Наиболее доступным считается метод аэрации, ко- | торый заключается в продувании воздуха или острого [ водяного пара через очищаемую сточную воду. Промыш- [ ленное значение имеет и хлорирование неприятно пахну-
щих сточных вод. При этом происходит окисление хлором серосодержащих и других соединений.
В настоящее время для дезодорации сточных вод широко используются процессы озонирования и адсорбции. Более эффективна дезодорация при одновременном использовании озонирования, хлорирования и фильтрации воды через слой активированного угля. Дезодорация осуществляется в массообменных аппаратах различной конструкции. Эффективность дезодорации при правильной организации процесса может достигать 90-100 %.
Химические методы обработки сточных вод основаны на проведении химических реакций с использованием реагентов и последующим получением из загрязняющих примесей безвредных или менее вредных новых веществ. При выборе метода учитывается эффективность процесса очистки, скорость реакции, стоимость реагентов, удобство последующего выделения образовавшихся после реакции веществ и др. Методы химической обработки обычно сочетаются с механической или физикохимической очисткой, так как после окончания реакции необходимо выделять образовавшиеся вещества из обработанных сточных вод.
Методы химической обработки наиболее приемлемы в системах локальной очистки сточных вод, где объемы очищаемой воды относительно невелики, а концентрация загрязняющих веществ значительна.
К химическим методам обработки сточных вод относят нейтрализацию, коагуляцию, флокуляцию, окисление и восстановление.
Нейтрализации подвергаются сточные воды, содержащие минеральные кислоты или щелочи. За регулируемый параметр нейтрализации стока принимают pH воды в пределах 6,5-8,5 после очистки. Для нейтрализации щелочных вод используются кислоты, а кислых - щелочи. Нейтрализацию можно проводить смешением кислых
и щелочных сточных вод, добавлением реагентов, фильтрованием кислых вод через нейтрализующие материалы, адсорбцией кислых газов щелочными водами или абсорбцией аммиака кислыми водами.
Реагенты выбираются в зависимости от состава и концентрации кислой сточной воды. При этом учитывается возможность образования осадка.
Для нейтрализации сточных вод в последнее время начинают использовать отходящие газы, содержащие ди-
I |
оксид углерода и серы, оксиды азота и др. Применение кислых газов позволяет не только нейтрализовать сточные воды, но и одновременно произвести высокоэффективную очистку и обезвреживание газов от загрязняющих веществ.
Коагуляция - это процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты. Ее применяют для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ. Коагуляция происходит под влиянием добавляемых к сточным водам специальных веществ - коагулянтов. Коагулянты образуют в воде хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под действием силы тяжести. Хлопья обладают способностью сорбировать вещества, взаимно слипаться с коллоидными и взвешенными частицами, агрегировать их. В качестве коагулян-.. тов обычно используют соли алюминия, железа или их смеси. При выборе коагулянта учитывают состав сточных вод, его физико-химические свойства, стоимость и другие факторы.
« |
Флокуляция - это процесс агрегации взвешенных частиц при добавлении в сточную воду высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами. В отличие от предыдущего метода при флокуляции агрегация происходит не только при непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия макромолекул
флокулянта, адсорбированного на частицах взвешенных веществ.
Окисление и восстановление вредных примесей, присутствующих в сточных водах, являются деструктивными методами. Они используются для перевода опасных в экологическом отношении веществ в безвредное или менее вредное состояние.
Для обработки сточных вод используются такие окислители, как газообразный и сжиженный хлор, диоксид хлора, хлорная известь, гипохлориты кальция и натрия, перманганат и бихромат калия, перекись водорода, кислород воздуха, озон, пиролюзит и др.
Методы восстановительной очистки сточных вод применяют в тех случаях, когда они содержат легко восстанавливаемые вещества. Эти методы широко используются для удаления из сточных вод соединений ртути, хрома, мышьяка. В частности, при удалении хромовой кислоты Сг+6 восстанавливается до Сг+3, который выделяется в виде Сг(ОН)3. Для восстановления Сг+6 могут использоваться соли железа (II), NaHC03, Na2C03 или газообразный диоксид серы. Использование последнего весьма перспективно, так как позволяет не только обезвредить сточные воды, но и одновременно очистить газовоздушные выбросы от диоксида серы. При проведении восстановления количество восстановителя должно превышать теоретически необходимое в 2-2,5 раза.
Для очистки сточных вод от различных растворимых и диспергированных примесей применяют электрохимические методы, в основу которых заложены процессы анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляции, электрофлотации, электродиализа. Все эти процессы протекают на электродах при пропускании через сточную воду постоянного электрического тока. Электрохимические методы обработки позволяют достаточно просто извлекать из сточных вод ценные продукты
без использования химических реагентов. Основным недостатком этих методов является большой расход электроэнергии.
Электрокоагуляция находит применение в различных отраслях промышленности. Процесс заключается в пропускании сточных вод через межэлектродное пространство электролизера. При этом происходит электролиз воды, поляризация частиц, электрофорез, окислительновосстановительные процессы, образование гидроксидов металлов, взаимодействие продуктов электролиза друг с другом.
Электрофлотация - очистка от взвешенных частиц происходит при помощи пузырьков газа, образующихся при электролизе воды. На аноде возникают пузырьки кислорода, а на катоде - водорода. Поднимаясь в сточной воде, эти пузырьки захватывают взвешенные частицы. При использовании растворимых электродов кроме пузырьков газа происходит образование гидроксидов металлов, как при электрокоагуляции, что способствует более эффективной очистке сточных вод.
Электродиализ основан на разделении ионизированных веществ под действием электродвижущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны мембраны. Этот процесс широко используется для опреснения соленых вод. Метод можно применять для обработки сточных вод, если они не содержат взвешенных веществ. При обработке методом электродиализа сточных вод, содержащих соли кислот и оснований, можно получать кислоты и щелочи и вновь использовать их в производстве. Электроды для электродиализаторов должны изготавливаться из стойких к окислителям материалов платины, магнетита, графита. Электродиализ может быть использован для очистки радиоактивных вод.
Для обезвреживания минерализованных сточных вод в настоящее время в основном используют термические
5.11. Технические средства и методы защиты окружающей среды |
методы, которые позволяют выделить из сточных вод соли и получить условно чистую воду, пригодную для нужд оборотного водоснабжения. Процесс разделения минеральных веществ и воды может быть проведен в две стадии: стадия концентрирования и стадия выделения сухих веществ. Во многих случаях вторая стадия заменяется захоронением концентрированных растворов. Концентрированные сточные воды можно непосредственно направлять на выделение сухого продукта, например в распылительную сушилку.
Установки термического обезвреживания минерализованных сточных вод должны обеспечивать снижение концентрации загрязняющих веществ в очищаемой воде до значений ниже ПДК; мало зависеть от состава сточных вод; обеспечивать надежность и экономичность в работе; иметь высокую производительность. Выбор метода обезвреживания зависит от состава, концентрации и объема сточных вод, их коррозийной активности, необходимой эффективности процесса.
При термическом обезвреживании сточных вод, содержащих токсичные органические вещества, применяют «огневой» метод. Он заключается в том, что сточная вода, вводимая в аппарат в распыленном состоянии совместно с нагретыми до высокой температуры (900-1000 °С) продуктами сгорания топлива, испаряется, а загрязняющие воду примеси сгорают, образуя безвредные и легкоуда- ляемые продукты сгорания.
Биологическая очистка сточных вод осуществляется при помощи живых организмов разного уровня организации. Существует два направления биологической очистки: метод биохимической очистки и метод биологической доочистки сточных вод.
Метод биохимической очистки основан на способности некоторых микроорганизмов питаться растворенными в воде органическими и некоторыми неорганическими
1
веществами. Часть окисляемого микроорганизмами вещества используется для их размножения и роста биомассы, а другая превращается в безвредные продукты окисления - воду, диоксиды углерода, азота и др.
Микроорганизмы, которые участвуют в процессе биохимической очистки, формируются в виде активного ила или биопленки.
Активный ил имеет вид буро-желтых мелких хлопьев размером 3-150 мкм, взвешенных в воде и представляющих собой колонии живых микроорганизмов, в том числе бактерий, образующих слизистые капсулы (зоо-! глеи). Биопленка - это слизистые обрастания живыми микроорганизмами фильтрующего материала очистных сооружений.
На практике используют два метода биохимической очистки сточных вод - аэробный и анаэробный.
i |
Аэробный метод осуществляется бактериями при наличии в воде кислорода. Аэробные процессы биохимической очистки могут протекать в естественных условиях и в искусственных сооружениях. В естественных условиях очистка происходит на полях орошения, полях фильтрации и биологических прудах. Естественные процессы биохимической очистки являются экстенсивными, и в настоящее время они гораздо реже используются в практике очистки промышленных сточных вод.
Искусственными сооружениями являются аэротенки и биофильтры разной конструкции. Выбор типа сооружения производится с учетом местоположения предприятия, климатических условий, источника водоснабжения, объема промышленных и бытовых сточных вод, состава и концентрации загрязнений. В искусственных сооружениях процессы очистки протекают с гораздо большей скоростью, чем в естественных условиях, поэтому аэробная биохимическая очистка является основным методом
[ 12 Зак. 1151
обработки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод.
Для аэробной очистки также применяют биофильтры. Это сооружения, в корпусе которых размещается фильтрующая насадка и предусмотрены распределительные устройства для сточной воды и воздуха. В биофильтрах сточная вода фильтруется через слой загрузки, покрытой пленкой микроорганизмов, которые окисляют органические вещества, используя их для удовлетворения физиологических нужд. Таким образом, из сточной воды удаляются органические соединения, а масса активной биопленки увеличивается. Отработанная биопленка смывается протекающей сточной водой и выносится из биофильтра. На процесс очистки в биофильтре значительное влияние оказывает температура внешней среды. Биохимические процессы протекают с выделением теплоты, поэтому крупные установки, защищенные от теплопотерь, могут работать при небольших морозах (до -6 °С).
Анаэробный метод биохимической очистки основан на использовании бактерий, не нуждающихся в кислороде, и заключается в сбраживании загрязняющих воду органических веществ в закрытых аппаратах без доступа воздуха - метантенках. Применение этого метода ограничено, его обычно используют для предварительной подготовки сточных вод, чтобы снизить концентрацию органических загрязнителей в 10-20 раз, а затем проводить дальнейшую очистку уже аэробными способами.
Заключительным этапом биохимической очистки сточных вод является очистка или доочистка предварительно очищенных сточных вод в биологических прудах.
Биологические пруды представляют собой каскад сооружений глубиной 1,0-1,5 м, через которые с незначительной скоростью протекают очищенные сточные воды. Различают пруды с естественной и искусственной аэрацией. Время пребывания в прудах зависит от вида и концентрации загрязнений, степени предварительной очистки, дальнейшего использования очищенной воды и колеблется в пределах 3-50 суток. Если пруды имеют искусственную аэрацию, то время пребывания воды в них значительно сокращается.
На промышленных предприятиях биологические пруды используются в основном для доочистки сточных вод, прошедших сооружения биохимической очистки. После биологических прудов концентрация нефти и нефтепродуктов, других загрязнителей снижается настолько, что в последних секциях прудов можно разводить рыбу в полупромышленных масштабах.
Иногда очистку осуществляют на полях орошения. Это специально подготовленные участки, используемые одновременно для очистки сточных вод и агрокультурных целей. Очистка сточных вод на полях орошения производится с помощью почвенной микрофлоры, солнца, воздуха и жизнедеятельности растений. Земледельческие поля орошения после спуска доочищенных сточных вод, увлажнения и удобрения используются для выращивания зерновых и силосных культур, трав, некоторых овощей, а также для посадки деревьев и кустарников.
Методы биологической очистки сточных вод эффективны и являются по существу обязательной составной частью системы очистки каждого предприятия.
|| Очищенные сточные воды перед сбросом в поверхностные водоемы необходимо обеззараживать, так как в них могут находиться патогенные бактерии, вирусы, паразиты, приводящие к вспышкам инфекционных заболеваний населения.
Для этого чаще всего используется хлорирование. Однако этот метод обладает недостаточной дезинфицирующей способностью по отношению ко многим патогенным микроорганизмам. Кроме того, использование хлорирования сопровождается следующими негативными явлениями:
• в обеззараженных сточных водах содержится остаточное количество активного хлора, который токсичен для гидробионтов и рыб, вызывает изменение биоценоза водоемов, что влияет на их самоочищающую способность;
• образуются высокотоксичные канцерогенные, мутагенные хлорорганические соединения;
• работа с хлором, являющимся сильнодействующим ядовитым веществом, требует особых мер безопасности.
Аналогичные проблемы возникают и при использовании других реагентных методов обеззараживания (гипохлориты натрия и кальция, озон, перекись водорода и др.).
В настоящее время наиболее перспективным методом обеззараживания является ультрафиолетовая (УФ) обработка воды.
При УФ-облучении воды погибают практически все патогенные микроорганизмы, не меняется окислительная способность воды, исчезает опасность передозировки дезинфектанта, энергозатраты составляют 30-60 Вт-ч/м3 сточных вод. Однако использование этого метода эффективно только при содержании взвешенных веществ в воде не более 20 мг/л.
В Беларуси принята Программа внедрения безреа- гентных методов обеззараживания сточных вод, альтернативных хлорированию, на период до 2020 г., утвержденная Министерством жилищно-коммунального хозяйства 25.01.2007 № 3.
В процессе биохимический очистки образуются осадки, которые необходимо периодически удалять из очистных сооружений. Обработка или утилизация этих осадков весьма затруднительны из-за большого их объема, переменного состава, наличия целого ряда токсичных для живых организмов веществ, высокой влажности.
Осадки сточных вод представляют собой труднофиль- труемые суспензии. Во вторичных отстойниках в осадке находится в основном избыточный активный ил, объем которого в 1,5-2,0 раза больше, чем объем осадка из первичного отстойника.
Удаление свободной влаги осуществляется уплотнением осадка. При этом в среднем удаляется до 60 % влаги, и масса осадка сокращается в 2,5 раза. Наиболее трудно уплотняется активный ил, влажность которого составляет 99,2-99,5 %. Для уплотнения ила используют гравитационный, флотационный, центробежный и вибрационный методы.
Стабилизацию осадков проводят для разрушения биологически разлагаемой части органического вещества на диоксид углерода, метан и воду. Ее осуществляют при помощи микроорганизмов в анаэробных и аэробных условиях. В анаэробных условиях проводится сбраживание осадка в метантенках, в результате чего его объем уменьшается примерно вдвое из-за разложения и минерализации органического вещества. Сброженный осадок приобретает однородную зернистую структуру, лучше отдает при сушке воду, теряет специфический гнилостный запах.
После стабилизации осадки подвергаются обезвоживанию. К обезвоживанию их подготавливают путем кондиционирования. При кондиционировании снижается удельное сопротивление и улучшаются водоотдающие свойства осадков вследствие изменения их структуры и форм связи воды. Кондиционирование проводят реагентными и безреагентными способами.
При реагентной обработке осадка происходит коагуляция - процесс агрегации тонкодисперсных и коллоидных частиц. Образование при этом крупных хлопьев с разрывом сольвентных оболочек и изменением форм связи воды способствует изменению структуры осадка и улучшению его водоотталкивающих свойств. В качестве коагулянтов используют соли железа и алюминия — FeCl3, Fe2(S04)3, FeS04, A12(S04)3, а также известь.
К безреагентным методам обработки относятся тепловая обработка, замораживание с последующим оттаиванием, электрокоагуляция и радиационное облучение.
Наиболее простым способом обезвоживания является подсушивание осадка на так называемых иловых площадках. При этом способе влажность может быть снижена до 75-80 %, а осадок уменьшается по объему и массе в 4-5 раз, теряет текучесть и его можно перевозить к месту использования в автомашинах. Однако этот способ длителен, требует больших земельных участков, зависит от климатических условий района. Кроме того, влажность подсушенного осадка все-таки остается еще значительной.
Иловые площадки - это участки земли (карты), со всех сторон окруженные земельными валами. Если почва хорошо фильтрует воду, а грунтовые воды находятся глубоко, иловые площадки устраиваются на естественных грунтах. При залегании грунтовых вод на глубине до 1,5 м для отвода фильтрата устраивают специальный дренаж из труб, а иногда организуют искусственное основание.
Для механического обезвоживания применяют главным образом фильтры и центрифуги. Наиболее широкое распространение получили вакуум-фильтры. Влажность осадка после вакуум-фильтров может быть доведена до 68-70 %. Если такой осадок не содержит токсичных веществ, его можно использовать в сельском хозяйстве. Отходы отдельных производств можно использовать как добавку к кормам для животных. При наличии в осадках токсичных веществ их необходимо сжигать.
Отходы, которые в настоящее время нельзя использовать, направляются в шламонакопители для захоронения.
Шламонакопители представляют собой открытые земляные емкости, которые после полного заполнения консервируются, и шлам подают уже в другие накопители.
Нельзя забывать, что законсервированные шламохрани- лища являются потенциальным источником загрязнения окружающей среды и требуют постоянного надзора.
Обработка и очистка сточных вод представляет собой очень сложную техническую проблему, которую полностью осветить в рамках учебника не представляется возможным. Более полную информацию по этому вопросу можно получить в ранее изданной книге [15].