Способы очистки и обеззараживания сточных вод
В соответствии с видами процессов, существующие методы классифицируются на механические, физико-химические и биологические.
Качество очистки сточных вод зависит от выбора методов очистки. Наиболее высокое качество очистки осуществляется при применении всех трех методов.
Механическая очистка. Принцип механической очистки заключается в том, что на данном этапе из стоков удаляются все твердые нерастворимые вещества, твердые фракции и примеси, которые могут повредить дальнейшее очистное оборудование и сооружения.
Производится предварительная очистка поступающих на очистные сооружения сточных вод с целью подготовки их к биологической очистке. На механическом этапе происходит задержание нерастворимых примесей.
Механическую очистку сточных вод можно выполнять двумя способами.
Первый способ состоит в процеживании воды сквозь решетки и сита, в результате чего отделяются твердые частицы. Второй способ заключается в отстаивании воды в специальных отстойниках, в результате чего минеральные частицы оседают на дно.
К сооружениям для механической очистки сточных вод относятся:
решётки (или УФС – устройство фильтрующее самоочищающееся),
сита,
песколовки,
Первичные отстойники.
Мембранные элементы.
Септики.
Для задержания крупных загрязнений органического и минерального происхождения применяются решётки и для более полного выделения грубодисперсных примесей – сита
В последнее время мембранная технология становится перспективным способом при очистке сточных вод. Очистка сточных вод с использованием прогрессивной мембранной технологии применяется в комплексе с традиционными способами, для более глубокой очистки стоков и возврат их в производственный цикл.
Очищенные таким образом сточные воды переходят на первичные отстойники для выделения взвешенных веществ.
Метод осажденияиспользуется, например, для очистки сточных вод от взвешенных веществ. Отстаивание основано на свободном оседании (всплывания) примесей с плотностью больше (меньше) плотности воды. Процесс отстаивания реализуют в песколовках, отстойниках (периодического и непрерывного действия), осветлителях, нефтеловушках и жироуловителях.
Другим методом очистки производственных сточных вод и загрязненных вод другого происхождения от крупнодисперсных субстанций является метод флотации. Процесс проходит в специальных сооружениях – флотаторах, в которые под давлением подается воздух и сточные воды. Суть данной методики состоит в переносе загрязняющих агентов на поверхность обрабатываемых сточных вод при помощи воздушных пузырьков. Как результат флотации, образуются пенные образования, содержащие загрязнители воды, которые, затем, удаляются особыми скребками. Пузырьки воздуха для флотации могут быть получены механическими способами – при помощи турбин или форсунок, при помощи электрофлотации воды и другими способами.
Для очистки сточных вод от взвешенных веществ используют процеживание, отстаивание, обработку в поле действия центробежных сил и фильтрование.
Процеживание реализуют в решетках и волокноуловителях. В вертикальных или наклонных решеткахширина прозоров обычно составляет 15...20 мм. Для удаления осадка веществ с входной поверхности решеток используют ручную или механическую очистку.
Песколовкииспользуют для очистки сточных вод от частиц металла и песка размером более 0,25 мм. Песколовки защищают отстойники от загрязнения минеральными примесями.
В зависимости от направления движения сточной воды применяют горизонтальные песколовки с прямолинейным и круговым движением воды, вертикальные и аэрируемые.
Отстойникииспользуют для очистки сточных вод от механических частиц размером более 0,1 мм, а также от частиц нефтепродуктов. В зависимости от направления движения потока сточной воды применяют горизонтальные, радиальные или комбинированные отстойники.
Очистку сточных вод в поле действия центробежных сил осуществляют в открытых или напорных гидроциклонах и центрифугах. Открытые гидроциклоныприменяют для выделения из сточной воды крупных твердых примесей со скоростью осаждения более 0,02 м/с. Такие гидроциклоны имеют большую производительность и малые потери напора, не превышающие 0,5 м. Эффективность очистки сточных вод от твердых частиц в гидроциклонах зависит от состава примесей (материала, размера, формы частиц и др.), а также от конструктивных и геометрических характеристик гидроциклона.
Фильтрование применяют для очистки сточных вод от тонкодисперсных примесей с малой их концентрацией. Его используют как на начальной стадии очистки сточных вод, так и после некоторых методов физико-химической или биологической очистки. Для очистки сточных вод фильтрованием применяют в основном два типа фильтров: зернистые, в которых очищаемую сточную воду пропускают через насадки несвязанных пористых материалов, и микрофильтры, фильтроэлементы которых изготовляют из связанных пористых материалов (сеток, натуральных и синтетических тканей, спеченных металлических порошков и т. п.). Фильтрация сточных вод при помощи данного метода можно организовать двумя различными способами: либо под действием силы тяжести – при отстаивании сточных вод, или под действием центробежной силы. Установки, очищающие сточные воды такими способами, как правило, могут удалять нерастворимые взвеси размером более нескольких долей миллиметра. В некоторых случаях применяются магнитные фильтры.
Твердые фракции, такие как песок, волокна, металл и другие материалы, накопившиеся на ситах, решетках, в песколовках, в отстойниках периодически вывозятся на полигоны утилизации, как твердые отходы.
Промышленный обратный осмос – это технология система очистки воды, на которую сделали ставку практически во всех отраслях промышленности. Промышленная система обратного осмоса применяется при подготовке питьевой, котловой, технологической и другой воды, где необходима высокая степень очистки от растворённых в воде ионов, а также используется при обессоливании морской воды. Зачастую промышленные системы обратного осмоса называют «мембранные опреснители воды», т.к. внутри этого оборудования происходит обратноосмотическое обессоливание воды или деминерализация.
Промышленная установка обратноосмотического опреснения включает обычно следующее оборудование: фильтр тонкой очистки воды, система реагентной подготовки, насос высокого давления, блок фильтрующих модулей, датчики и приборы управления. Основной элемент установки обратного осмоса — полупроницаемая обратноосмотическая мембрана, помещённая в корпус. В неё поступает исходная вода, а отводится два потока — очищенная и обессоленная, которая называется пермеатом, и вода с концентрированными примесями, называемая концентратом, которая сливается. Продавливание воды через мембрану ведётся при высоком давлении, которое создает насос, обычно центробежный многоступенчатый или роторный. Для замедления образования нежелательных отложений на мембранах применяется дозирование ингибитора осадкообразования. Для снятия осадков с поверхности мембран используется система химпромывки. Для контроля качества очистки и рН — проточные измерители солесодержания и рН-метры. Для контроля расхода пермеата и концентрата — проточные расходомеры
Физико-химические методы очистки.В настоящее время в связи с использованием оборотных систем водоснабжения существенно увеличивается применение физико-химических методов очистки сточных вод, основными из которых являются флотация, экстракция, нейтрализация, сорбция, ионообменная и электрохимическая очистка, гиперфильтрация, эвапорация, выпаривание, испарение и кристаллизация. Данные методы используют для очистки от растворенных примесей, а в некоторых случаях и от взвешенных веществ.
Многие методы физико-химической очистки требуют предварительного глубокого выделения из сточной воды взвешенных веществ, для чего широко используют процесс коагуляции.Коагулянты - коагулирующие агенты (от лат. coagulo — вызываю свертывание, сгущение), вещества, введение которых в жидкую среду, содержащую мелкие частицы какого-либо тела, вызывает слипание этих частиц. Под действием коагулянтов образуются крупные слипшиеся частицы, выпадающие в виде хлопьев или комков в осадок (коагулят). Эффективными коагулянтами для систем с водной дисперсионной средой являются соли поливалентных металлов (алюминия, железа и др.). В качестве коагулянтов используют также водорастворимые органические высокомолекулярные соединения (полимеры), особенно полиэлектролиты. В отличие от неорганических коагулянтов, их иногда называют флокулянтами. Коагулянты применяют для выделения ценных промышленных продуктов из отходов производства в различных технологических процессах, а также при очистке воды от природных и бытовых загрязнений. Для очистки сточных вод на предприятиях используют и другие вещества, в зависимости от вида загрязнения: если в отработанной воде присутствует большое количество различных масел, то для очистки рекомендуется использовать соли магния (сульфат магния, хлорид магния); в химической промышленности используют алюмосиликатный раствор; сточные воды, насыщенные щелочью очищают неорганическим коагулянтом, полученным из красного шлама (красный шлам содержит примеси оксидов металлов и представляет собой одну из самых важных проблем с утилизацией при производстве алюминия. Красный цвет вызван присутствием оксида железа); для повышения экологической безопасности сточных вод используется активированный кальций-алюминат; на теплоэлектростанциях в последнее время применяют новейший коагулянт — минеральный полиреагентный гель-сорбент.
Флотацияпредназначена для интенсификации процесса всплывания маслопродуктов при обволакивании их частиц пузырьками газа, подаваемого в сточную воду. В основе этого процесса имеет место молекулярное слипание частиц масла и пузырьков тонкодиспергированного в воде газа. Образование агрегатов «частица — пузырьки газа» зависит от интенсивности их столкновения друг с другом, химического взаимодействия содержащихся в воде веществ, избыточного давления газа в сточной воде и т. п.
В зависимости от способа образования пузырьков газа различают следующие виды флотации: напорную, пневматическую, пенную, химическую, вибрационную, биологическую, электрофлотацию и др.
Сточные воды, содержащие мелкую фракцию взвешенных веществ высокой концентрации (зооглеи активного ила) пропускают через флотационные установки или центрифуги.
В настоящее время на станциях очистки широко используют электрофлотацию, так как протекающие при этом электрохимические процессы обеспечивают дополнительное обеззараживание сточных вод.
Кроме того, применение для электрофлотации алюминиевых или стальных электродов обусловливает переход ионов алюминия или железа в раствор, что способствует коагулированию мельчайших частиц механических примесей сточной воды.
Нейтрализация сточных вод. Сточные воды, содержащие минеральные кислоты или щелочи, перед сбросом их в водоемы или перед использованием в технологических процессах нейтрализуют. Практически нейтральными считаются воды, имеющие pH 6,5...8,5. Нейтрализацию можно проводить различным путем: смешением кислых и щелочных сточных вод, добавлением реагентов, фильтрованием кислых вод через нейтрализующие материалы, абсорбцией кислых газов щелочными водами или абсорбцией аммиака кислыми водами. В процессе нейтрализации могут образовываться осадки.
Нейтрализация сточных вод предназначена для выделения из сточных вод кислот (H2SО4, НСl, HNO3, Н3Р04), щелочей (NaOH и КОН), а такжесолей металлов на основе указанных кислот и щелочей.. Процесс нейтрализации основан на объединении ионов водорода и гидроксильной группы в молекулу воды, в результате чего сточная вода приобретает значение рН ~ 6,7 (нейтральная среда).
Отстаивание.Очистка сточных вод от маслопродуктовв зависимости от их состава и концентрации осуществляется на машиностроительных предприятиях отстаиванием, обработкой в гидроциклонах, флотацией и фильтрованием. Этот метод основан на закономерностях всплывания маслопродуктов в воде по тем же законам, что и осаждение твердых частиц. Процесс отстаивания осуществляется в отстойниках и маслоловушках.
Очистка сточных вод от маслосодержащих примесей фильтрованием - заключительный этап очистки.
В качестве фильтрующих материалов, кроме кварцевого песка используют доломит, керамзит, глауконит. Эффективность очистки сточных вод от маслосодержащих примесей значительно повышается при добавлении волокнистых материалов (асбеста и отходов асбестоцементного производства).
Очистка сточных вод от растворимых примесейосуществляется экстракцией, сорбцией, нейтрализацией, электрокоагуляцией, эвапорацией, ионным обменом, озонированием и т.п.
Экстракция– процесс перераспределения примесей сточных вод в смеси двух взаимно нерастворимых жидкостей (сточной воды и экстрагента). Процесс применяют для очистки сточных вод от фенола. Перемешивание смеси сточных вод с экстрагентом осуществляют в экстракционных колоннах, заполненных насадками типа колец Рашига.
Сорбциянаряду с использованием в процессах очистки газа широко применяется для очистки сточных вод от растворимых примесей. В качестве сорбентов используют практически любые мелкодисперсные вещества (зола, торф, опилки, шлаки, глина), наиболее активным сорбентом является активированный уголь.
Электрокоагуляцияприменяется для очистки сточных вод гальванических и травильных отделений от хрома и других тяжелых металлов, а также от цианов.
Электрокаталитическийметод применяется для очисткипитьевых и сточных вод от примесей и может быть применено в химической, нефтехимической, нефтяной, целлюлозно-бумажной, горнодобывающей промышленности, коммунальном хозяйстве и др. Преимущественная область использования способа - очистка промстоков и хозбытовых стоков, питьевых вод, содержащих растворенные органические вещества, аммонийные соединения, фосфаты, тяжелые металлы и другие соединения на предприятиях нефтехимической, химической, целлюлозно-бумажной, нефтяной промышленности, в коммунальном хозяйстве и др. Очистку питьевых и сточных вод осуществляют путем пропускания воды через слой катализатора, через фильтр с каталитическим зернистым материалом; фильтр с зернистым материалом.
Ионобменные методы очистки сточных вод находят применение практически в любых отраслях промышленности для очистки от многих примесей, в том числе и шестивалентного хрома. Эти методы позволяютобеспечить высокую эффективность очистки, а такжеполучать выделенные из сточной воды металлы в виде относительночистых и концентрированных солей.
Озонирование. Учитывая универсальность воздействия озона на загрязнения, его преимущества как мощного и быстродействующего окислителя, поставщика кислорода и эффективного дезинфектанта, озонирование как метод очистки и обеззараживания можно использовать на различных стадиях обработки бытовых и производственных сточных вод. По аналогии с водоподготовкой озон может быть применен для обесцвечивания стоков, удаления взвешенных веществ и коллоидов, окисления сложных органо-минеральных комплексов, токсичных ионов, органических микрозагрязнителей и как средство для дезинфекции. Озонирование в третичной очистке способствует окислению растворенных и удалению взвешенных веществ. При озонировании сточных вод, имеющих повышенное содержание железа, высвобождаются ионы Fe3+, вступающие в реакцию с ОН- с образованием Fe (ОН)3. Гидрат окиси железа в свою очередь играет роль коагулянта, увеличивая степень извлечения взвешенных веществ путем сорбции загрязнений и осаждения. Так, например, при дозе озона 20 мг/л можно достичь снижения концентрации взвешенных веществ в бытовой воде до 3 мг/л. Озон используется для окисления цианистых соединений, которые являются одними из самых токсичных загрязнений, содержащихся в производственных сточных водах. Эффективно окисляются озоном фенолы и углеводороды, содержащиеся в сточных водах заводов по переработке нефти. Очистка происходит в специальных сооружениях – озонаторах различных конструкций.
Твердые отходы после проведения физико-химических методов очистки вывозятся на специализированные полигоны захоронения отходов.
Биологические методы очистки. Очистка сточных вод от органических примесей осуществляется в основном биологическими методами, которые реализуют в естественных и искусственных сооружениях. В естественных сооружениях очистку осуществляют на полях фильтрации и орошения, на биологических прудах.
Суть биологической очистки на полях состоит в том, что при фильтровании сточной воды через слой почвы в ней адсорбируются взвешенные и коллоидные вещества, которые со временем образуют в порах почвы микробиологическую пленку. Эта пленка адсорбирует и окисляет задержанные биологические вещества, превращая их в минеральные соединения.
На некоторых машиностроительных предприятиях используют биологические аэрируемые пруды для доочистки небольших расходов сточных вод.
Нитри-денитрификация. Распространенный метод биологической очистки сточных вод. Очистка сточных вод осуществляется бактериями, образующими активный ил. При соответствующих условиях (наличие кислорода, температура выше 4°С и др.) под действием аэробных микроорганизмов (нитрифицирующих бактерий) происходит окисление азота аммонийных солей, в результате чего образуются сначала соли азотистой кислоты, или нитриты, а при дальнейшем окислении — соли азотной кислоты, или нитраты, т. е. происходит процесс нитрификации. Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак в азотистую кислоту (нитритные бактерии), затем — азотистую кислоту в азотную (нитратные бактерии). Нитрификация имеет большое значение в очистке сточных вод, так как этим путем накапливается запас кислорода, который может быть использован для окисления органических безазотистых веществ, когда полностью уже израсходован для этого процесса весь свободный (растворенный) кислород. Связанный кислород отщепляется от нитритов и нитратов под действием микроорганизмов (денитрифицирующих бактерий) и вторично расходуется для окисления органического вещества. Процесс этот называется денитрификацией. Он сопровождается выделением в атмосферу свободного азота в форме газа. При использовании этого метода в сточных водах снижается концентрация солей аммония, повышается качество очистки.
Выбор методов очистки сточных вод зависит не только от качественного и количественного состава вод, но и от температуры жидкой фракции.
Биологическая очистка сточных вод в искусственных сооружениях осуществляется на биологических фильтрах, в аэротенках и окситенках.
Стоки в процессе фильтрования, проходя через фильтры, загруженные шлаком, щебнем, керамзитом, пластмассой, гравием и т.п., на загрузочном материале образуют биологическую пленку, микроорганизмы которой поглощают органические вещества.
Аэротенки по конструкции аналогичны отстойникам, в которые помещают активный ил—микрорганизмы и подают сжатый воздух, обеспечивающий интенсификацию процесса окисления органических примесей.
Окситенки — модификации аэротенков в которые вместо сжатого воздуха подают газообразный кислород. При этом процессы окисления существенно интенсифицируются, однако усложняются условия эксплуатации вследствие взрывоопасности кислорода.
Метантенк представляет собой цилиндрический железобетонный резервуар с коническим днищем, предназначенный для сбраживания осадка. Для ускорения процессов брожения используют подогрев осадка и его перемешивание. Осадок подогревают обычно до температуры 33 или 53 °С острым паром, подаваемым в метантенк с помощью эжектирующих устройств.
Кроме того, осадок можно подогревать в теплообменных аппаратах вне метантенка. Перемешивают осадок либо с помощью насосов, забирающих его из нижней части камеры и подающих в верхнюю часть, либо гидроэлеваторами с насосами или специальными мешалками.
Обычно в метантенки подается смесь сырого осадка из первичных отстойников и уплотненного избыточного активного ила из вторичных отстойников. Допускается подача в метантенки и других сбраживаемых органических веществ после их дробления (отбросов с решеток, домового мусора, промышленных отбросов органического происхождения и т. п.).
Сооружения для биологической очистки сточных вод включают:
приемный резервуар,
усреднители (для усреднения концентрации загрязняющих веществ),
камеры для подготовки стоков, в которые добавляют различные биогенные вещества (фосфорную кислоту, раствор соды, серную кислоту, воздух),
азротенк,
вторичные отстойники,
биофильтры,
иловые поля.
Обезвоживание отработанного ила проводят во флотаторе, избыточная вода после флотации поступает в аэротенки, а ил направляют на иловые поля для высушивания. После высушивания ил, как отход, вывозят на полигон рекультивации.
Анаэробный ил, образующийся при очистке сточных вод пищевых производств, представляет собой высококачественное органоминеральное удобрение, которое можно использовать без особых ограничений. Анаэробный ил не содержит патогенных микроорганизмов, а термофильный ил богат витамином В-12, поэтому его можно также использовать как пищевую добавку в корм крупного рогатого скота.
Загрязнение окружающей среды требуют принятия адекватных мер для предотвращения этого процесса и ликвидации уже существующих очагов загрязнения. Использование в этих целях живых организмов получило название биоремедиации.Загрязнения нефтепродуктами почвы, воды очищаются этим методом.