Глава 3. Защита гидросферы

3.1. Оборотное водоснабжение

Наиболее перспективный путь уменьшения потребления свежей воды - это создание оборотных и замкнутых систем водоснабжения. Схемы оборотного водоснабжения показаны на рис. 1. При оборотном водоснабжении следует предусмотреть необходимую очистку сточной воды, охлаждение оборотной воды, обработку и повторное использование сточной воды.

Рис. 1. Схемы оборотного водоснабжения: а - с охлаждением воды; б - с очисткой воды; в - с очисткой и охлаждением воды; П - производство; НС - насосная станция; ОХ - охлаждение воды; ОС - очистка сточной воды

В схеме (а) вода является теплоносителем и в процессе использования не загрязняется, а нагревается; перед повторным использованием её охлаждают в градирнях, прудах. В схеме (б) воду перед повторным использованием очищают изложенными ниже методами. В схеме (в) воду очищают и охлаждают. Во всех случаях свежая вода добавляется лишь на восполнение потерь.

Применение оборотного водоснабжения позволяет в 10-50 раз уменьшить потребление природной воды. Например, для выработки 1 т каучука при прямоточном водоснабжении в старых производствах требуется 2100 м³ свежей воды, а при оборотном водоснабжении - лишь 165 м³. При оборотном водоснабжении значительно уменьшаются капитальные и эксплуатационные затраты. Во всех отраслях промышленности доля оборотной воды непрерывно возрастает. Так, в химической промышленности она возросла до 82,5%.

Оборотная вода должна соответствовать определенным значениям показателей: карбонатной жесткости, рН, содержанию взвешенных веществ и биогенных элементов, значению ХПК (химическая потребность в кислороде), определяющих термостабильность и интенсивность биообрастаний в оборотной системе и др.

Оборотную воду в основном используют в теплообменной аппаратуре для отведения избыточного тепла. Она многократно нагревается до 40-45 °С и охлаждается в вентилируемых градирнях или брызгальных бассейнах. Значительная часть её теряется в результате брызгоуноса и испарения. Кроме того, из-за неисправностей и неплотностей теплообменной аппаратуры она загрязняется до определённого предела.

Для предотвращения коррозии, биологического обрастания часть оборотной воды выводят из системы (продувочная вода), добавляя свежую воду из источника или очищенные сточные воды.

При движении воды на поверхностях труб и теплообменников откладывается карбонат кальция по реакции:

Ca⁺² + 2HCO₃^- ↔ CaCO₃ + CO₂ + H₂O.

Растворимость карбоната кальция с ростом температуры уменьшается. Скорость отложения карбоната кальция и других солей не должна превышать 0,25 г/(м²∙ч). Основным требованием к воде, расходуемой на подпитку оборотных систем, является ограничение карбонатной и сульфатной жесткости. Ограничивается также содержание взвешенных веществ, которые тоже отлагаются на отдельных участках трубопроводов и теплообменной аппаратуры.

При содержании в воде растворимых солей щелочных металлов и магния происходит коррозия материалов теплообменных систем, которая растёт с температурой. В отсутствии ингибиторов содержание солей в оборотной воде не должно превышать 2 кг/м³.

Для предотвращения биологического обрастания аппаратов и сооружений в оборотной воде должно быть ограничено содержание органических веществ и соединений биогенных элементов (азота, фосфора), являющихся питательной средой для микроорганизмов. Скорость биологических обрастаний теплообменников не должна превышать 0,07 г/(м²∙ч), рост толщины слоя не должен быть выше 0,05 мм в месяц.

Необходимое количество воды для подпитки определяется из материального баланса оборотной системы:

Q_ун + Q_сб + Q_ф + Q_пр.п + Q_исп = Q_п ,

где Q_ун – количество воды, уносимой в виде капель ветром на градирнях; Q_сб – количество оборотной воды, сбрасываемой для “продувки”; Q_ф – потери воды с осадками при фильтровании; Q_пр.п – производственные потери воды; Q_исп – количество воды, испаряющейся на градирне; Q_п – расход подпитывающей воды на компенсацию всех потерь оборотной воды в системе.

Средние потери воды от испарения составляют около 2,5 %; от капельного уноса на градирнях – 0,3-0,5 %; продувочный сброс принимается 6-10 %, в среднем 8 %; сумма всех остальных потерь принимается 1% от объёма оборотной воды.

3.2. Замкнутые системы водного хозяйства промышленных предприятий

Основным направлением уменьшения сброса сточных вод и загрязнения ими водоёмов 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 промышленных и городских сточных вод на промышленных предприятиях, на земледельческих полях для орошения при выращивании сельскохозяйственных культур, для полива лесных угодий, для поддержания объёма (уровня) воды водоёмов, исключающих образование каких-либо отходов и сброс сточных вод в водоём.

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: дефицитом воды; исчерпанием разбавляющей и самоочищающей способности водного объекта, принимающего сточные воды; экономическими преимуществами перед очисткой сточных вод до требований, предъявляемых водоохранным контролем.

Замкнутая система должна обеспечить рациональное использование воды во всех технологических процессах, максимальную рекуперацию компонентов сточных вод, сокращение капитальных и эксплуатационных затрат, исключение загрязнения окружающей среды. Замкнутые системы водного хозяйства следует вводить на вновь строящихся предприятиях и на действующих, подлежащих реконструкции.

3.3. Методы очистки сточных вод

Для создания замкнутых систем водоснабжения промышленные сточные воды подвергаются очистке механическими, физико-химическими, биологическими, химическими и термическими методами до необходимого качества, зависящего от вида производства.

Очистка от суспендированных и эмульгированных примесей включает: 1) методы очистки от грубодисперсных примесей (отстаивание, процеживание и фильтрация, флотация, осветление во взвешенном осадке, центробежное фильтрование и отстаивание); 2) методы очистки от мелкодисперсных примесей (коагуляция, флокуляция, электрокоагуляция, электрофлотация); 3) методы устранения и уничтожения нерастворённых и растворённых примесей (устранение, закачка в скважины, захоронение, закачка в глубины морей, термическое уничтожение).

Очистка от растворённых примесей включает: пункт 3); 4) методы очистки от минеральных примесей (дистилляция, ионный обмен, обратный осмос, электродиализ, замораживание, реагентные); 5) методы очистки от органических примесей (регенеративные: экстракция, ректификация, адсорбция, обратный осмос и ультрофильтрация; деструктивные: биохимические, жидкофазного окисления, парофазного окисления, радиационного окисления, электрохимического окисления); 6) методы очистки от газов (отдувка, нагрев, реагентные методы).

Указанные методы очистки подразделяются на рекуперационные и деструктивные. Рекуперационные методы предусматривают извлечение из сточных вод и дальнейшую переработку всех ценных веществ. В деструктивных методах вещества, загрязняющие воду, подвергаются разрушению путём окисления или восстановления. Продукты разрушения удаляются из воды в виде газов или осадков.

Выбор метода очистки и подбор оборудования производятся с учётом: 1) санитарных и технологических требований, предъявляемых к качеству очищенных вод с учётом дальнейшего их использования; 2) количества сточных вод; 3) наличия у предприятия необходимых для процесса обезвреживания энергетических и материальных ресурсов (пар, топливо, сжатый воздух, электроэнергия, реагенты, сорбенты), а также необходимой площади для сооружения очистных установок; 4) эффективности процесса обезвреживания.

Эффективность обезвреживания сточной воды для всех методов определяется по соотношению:

где С_Н и С_К – концентрация загрязнения в сточной воде до и после очистки, кг/м³.

Если очистка сточных вод от загрязнения производится последовательно несколькими методами, то суммарная степень очистки равна:

где , , - степень очистки сточных вод первым, вторым и n методами.

3.4. Обработка осадков сточных вод

В процессе очистки сточных вод образуются осадки, объём которых составляет от 0,5 до 1 % объёма сточных вод для станций совместной очистки бытовых и производственных сточных вод и от 10 до 30 % для локальных очистных сооружений. Условно осадки можно разделить на три основные категории – минеральные осадки, органические осадки и избыточные активные илы. Основные задачи современной технологии состоят в уменьшении их объёма и в последующем превращении в безвредный продукт, не вызывающий загрязнения окружающей среды.

В осадках содержаться соединения кремния, алюминия, железа, оксидов кальция, магния, калия, натрия, никеля, хрома и др. Химический состав осадков оказывает большое влияние на их водоотдачу. Соединения железа, алюминия, хрома, меди, а также кислоты, щёлочи и некоторые другие вещества, содержащиеся в производственных сточных водах, способствуют интенсификации процесса обезвоживания осадков и снижают расход химических реагентов на их коагуляцию перед обезвоживанием. Масла, жиры, азотные соединения, волокнистые вещества, наоборот, являются неблагоприятными компонентами. Окружая частицы осадка, они нарушают процессы уплотнения и коагуляции, а также увеличивают содержание органических веществ в осадке, что сказывается на ухудшении его водоотдачи.

Для обработки и обезвреживания осадков используются различные технологические процессы: уплотнение, стабилизация, кондиционирование, обезвоживание, термическая обработка, утилизация ценных продуктов, ликвидация.

Уплотнение осадков связано с удалением свободной влаги. При уплотнении в среднем удаляется 60 % влаги и масса осадка сокращается в 2,5 раза.

Для уплотнения активного ила, который имеет влажность 99,2 – 99,5 % используют гравитационный, флотационный, центробежный и вибрационный методы.

Стабилизация осадков проводится для разрушения биологически разлагаемой части органического вещества на двуокись углерода, метан и воду. Стабилизацию осуществляют при помощи микроорганизмов в анаэробных и аэробных условиях. В анаэробных условиях она проводится в метантенках, а в аэробных – в сооружениях с продолжительной аэрацией.

Кондиционирование осадков – это процесс предварительной подготовки осадков перед обезвоживанием или утилизацией путём снижения удельного сопротивления и улучшения водоотдающих свойств осадков вследствие изменения их структур и форм связи воды.

Кондиционирование проводят реагентными и безреагентными способами. При реагентной обработке осадки обрабатывают 10 % раствором коагулянтов (FeSO₄, Fe₂(SO₄)₃, Al₂(SO₄)₃ и др.). Вместо коагулянтов можно использовать и флокулянты. К безреагентным методам обработки относятся: тепловая обработка, замораживание с последующим отстаиванием, жидкофазное окисление, электрокоагуляция и радиационное облучение. В отечественной практике тепловая обработка осадка находится в стадии освоения и внедрения.

Сущность метода тепловой обработки состоит в нагревании осадков до температуры 150-200 ^оС и выдерживании при этой температуре в закрытой ёмкости в течение 0,5-2 ч. В результате такой обработки происходит резкое изменение структуры осадка, около 40 % сухого вещества переходит в раствор, а оставшаяся часть приобретает водоотдающие свойства. Осадок после тепловой обработки быстро уплотняется до влажности 92-94 %, а его объём составляет 20-30 % исходного.

Уплотнённый осадок легко обезвоживается на иловых площадках или вакуум-фильтрах, пресс-фильтрах, виброфильтрах и центрифугах. Отделённая на стадии уплотнения вода, вследствие распада органического вещества осадка, содержит большое количество растворённых веществ с химической потребностью кислорода (ХПК) около 10 кг на 1 м³. Эта вода обычно возвращается на аэрационные очистные сооружения, что вызывает необходимость увеличения их мощности на 10-15 %.

Существуют различные схемы процессов тепловой обработки (тепловая обработка с догревом осадка острым паром, схема с догревом осадка промежуточным теплоносителем и т.д.). Принципиальная схема тепловой обработки по методу Портеуса представлена на рис. 2.

Осадок из резервуара-накопителя под давлением подают в теплообменник, где он нагревается осадком, прошедшим тепловую обработку в реакторе. После охлаждения в теплообменнике и снижения давления осадок поступает в илоуплотнитель, а затем на обезвоживание. Нагревание осадка производят “острым” паром. Удельный расход пара составляет 120-140 кг на 1 м³ осадка. Уплотняют осадок в радиальных уплотнителях в течение 2-4 ч. Влажность уплотнённых осадков 93-94 %. Обезвоживание производят на вакуум-фильтрах или фильтр-прессах.

Рис. 2. Технологическая схема тепловой обработки по методу Портеуса

1 – резервуар-накопитель; 2, 7 – насосы; 3 – теплообменник; 4 – реактор; 5 - устройство для снижения давления; 6 – уплотнитель; 8, 9 – обезвоживающие аппараты

Достоинства метода: осуществление в реакторе кондиционирования, стерилизации; компактность установки. Недостаток – сложность эксплуатации установки.

Сущность метода жидкофазного окисления осадка (метод Циммермана) заключается в окислении органический части осадка кислородом воздуха при высокой температуре и высоком давлении. Схема установки жидкофазного окисления приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема установки жидкофазного окисления осадка: 1 – резервуар; 2 – насос; 3, 4 – теплообменники; 5 – реактор; 6 – сепаратор; 7 – компрессор.

В приёмном резервуаре смесь сырого осадка и активного ила нагревают до температуры 45-50 ^оС. Затем осадок через теплообменник поступает в реактор. В реакторе при 300 ^оС в течение 0,5-0,7 ч происходит интенсивное окисление органического вещества осадка кислородом воздуха. Из реактора смесь продуктов окисления, воздуха и золы направляют через теплообменник в сепаратор. В сепараторе происходит отделение от жидкой фазы осадка газов, которые выбрасываются в атмосферу или используются в турбогенераторе для приведения в действие компрессора, подающего воздух в систему. Охлаждённый осадок, поступая в уплотнитель, отстаивается в течение 4 ч. Сливная вода (ХПК 5-6 кг/ м³) сбрасывается в аэротенки, а уплотнённый осадок влажностью 95 % подаётся на иловые площадки или механическое обезвоживание. Производительность вакуум-фильтров по осадку составляет 40-50 кг/м²∙ч. Влажность обезвоженного осадка – около 60 %. Дополнительного тепла на нагрев осадка в процессе работы установки не требуется. Установка разогревается паром лишь в период запуска.

3.5. Утилизация осадков сточных вод и активного ила

Утилизация осадков сточных вод и избыточного активного ила часто связана с использованием их в качестве удобрения, что обусловлено достаточно большим содержанием в них биогенных элементов. Активный ил особенно богат азотом и фосфорным ангидридом. В качестве удобрения можно использовать те осадки сточных вод и избыточный активный ил, которые предварительно были подвергнуты обработке, гарантирующей последующую их незагниваемость, а также гибель патогенных микроорганизмов и яиц гельминтов.

Наиболее эффективными способами обезвреживания отходов, образующихся при очистке сточных вод, являются обработка негашеной известью, аммиачной водой, тиазоном, термическая сушка. Перспективные технологические способы обезвоживания осадков и избыточного активного ила, включающие использование барабанных вакуум-фильтров, центрифуг, с последующей термической сушкой и одновременной грануляцией позволяют получать продукт в виде гранул, что обеспечивает получение незагнивающего и удобного для транспортировки, хранения и внесения в почву органоминерального удобрения, содержащего азот, фосфор, микроэлементы.

Наряду с достоинствами, получаемого на основе осадков сточных вод и активного ила удобрения, следует учитывать и возможные отрицательные последствия его применения, связанные с наличием в них вредных для растений веществ, в частности ядов, химикатов, солей тяжёлых металлов. Кроме того, осадки содержат яйца гельминтов и другую патогенную фауну, имеют неприятный специфический запах. В процессе хранения на иловых картах, и особенно при компостировании с опилками, корой, торфом санитарное состояние ила улучшается, а тяжёлые металлы переходят в связанное состояние, малодоступное для поступления в растения. Поэтому грамотное применение в сельском хозяйстве в условиях дефицита минеральных и органических удобрений, истощения и загрязнения почв является не только экологически приемлемым методом утилизации ила, но и экономически выгодным, позволяющим улучшать структуру почв и получать дополнительные урожаи.

Исследования химического состава отработанного активного ила ОАО «Омск Водоканал» были проведены преподавателями кафедры физической химии ОмГТУ (Федяевой О.А, Решетниковой Е.В., Чачиной С.Б.) и студентами (Гончаровой Е.В., Желтиковой Е.В.). Результаты эмиссионного спектрального анализа и химического анализа представленные в табл. 2 показали, что содержание тяжёлых металлов (Сu, Zn, Mn, Ni, Cr, Pb, Cd) в отработанном активном иле не превышает норм ПДК, а наличие в нём биогенных элементов указывает на его высокую агрохимическую ценность. Даны рекомендации по использованию активного ила в качестве удобрения после соответствующей термической обработки в анаэробных условиях, для проведения рекультивации карьеров, проведения почвовосстановительных и почвоулучшающих работ.

Таблица 2

Химический состав отработанного активного ила

Содержание металлов, мг/кг	Cu	Zn	Mn	Ni	Cr	Pb	Cd
По ГОСТ 17.4.3.07-2001
В активном иле
В водной вытяжке, мг/л	PO₄^-3	NO₂^-	NO₃^-	Азот аммонийный	рН	Кислотность	Органическое вещество, %	Нефтепродукты
0,7	0,71	0,08	3,1	5,9	1,4		0,338

Представляет интерес практика использования осадков сточных вод в ФРГ. По санитарным соображениям в ФРГ допускается использование в качестве удобрения только незагнивающих, стабилизированных осадков сточных вод, термически высушенных, компостированных и пастеризованных. Пастеризация осадков заключается в их нагревании до 65 -70 ^оС в течение 20-30 мин, что приводит к уничтожению в них яиц гельминтов и патогенных микроорганизмов. Более высокий эффект пастеризации достигается при нагревании осадка до 80-90 ^оС с последующим выдерживанием в течение 5 мин. В случае образования больших объёмов осадков сточных вод, содержащих соли тяжёлых металлов целесообразно сжигание осадков.

В ФРГ также предложен способ сжигания активного ила с получением заменителей нефти и каменного угля. Подсчитано, что при сжигании 350 тыс. тонн активного ила можно получить топливо, эквивалентное 700 тыс. баррелей нефти и 175 тыс. тонн угля (1 баррель – 159 л). Одним из преимуществ этого метода является то, что полученное топливо удобно хранить. В случае сжигания активного ила выделяемая энергия расходуется на производство пара, который немедленно используется, а при переработке ила в метан требуются дополнительные капитальные затраты на его хранение.

Важное значение также имеют методы утилизации активного ила, связанные с использованием его в качестве флокулянта для сгущения суспензий, получения стройматериалов и т.д.

Проведённые токсикологические исследования показали возможность переработки сырых осадков и избыточного активного ила в цементном производстве. Ежегодный прирост биомассы активного ила составляет несколько миллионов тонн. В связи с этим возникает необходимость в разработке таких способов утилизации, которые позволяют расширить спектр применения активного ила.

Считая на сухое вещество, активный ил содержит 37-52 % белков, 20-35 % аминокислот, а также витамины группы В. Он может быть использован для кормления животных, рыб и птиц. Разработаны различные технологические схемы получения белково-витаминного кормового продукта (белвитамина), производства смеси кормовых дрожжей с илом и получения технологического витамина В₁₂.

Получение технологического витамина В₁₂

Витамин В₁₂ имеет формулу С₆₃Н₈₈О₁₄РСо. Его молекулярная масса 1357. Ранее его извлекали из печёночных экстрактов, сейчас в основном из культуральной жидкости антибиотиков. Получение витамина В₁₂ состоит из нескольких стадий. Активный ил уплотняют до влажности 95-96 %, затем подкисляют серной кислотой до pH = 3 и направляют в реактор, где подогревают паром до 110 ^оС. После охлаждения из ила в центрифуге отделяют твёрдые частицы, которые сушат, дробят и затем используют как удобрения, а фильтрат направляют в коагулятор, где обрабатывают щёлочью до pH = 5. В коагуляторах массу отстаивают 1-6 ч, затем осадок отделяют на центрифуге и перерабатывают в удобрение, а фильтрат выпаривают, обрабатывают щёлочью, сушат и дробят. Готовый продукт расфасовывают.