Защита водных объектов от загрязнений

При выборе технологии очистки конкретного стока определяющими факторами являются:

• расход стока;
• исходная концентрация нефтепродуктов и сопутствующих загрязнений;
• требования к качеству очищенной воды по всем нормируемым загрязнениям.

Таким образом, в зависимости от требований к качеству очищенной воды и с учетом технико-экономических показателей выбирается технологическая схема очистки сточных вод, основу которой составляет механическая обработка. При этом в зависимости от конкретных условий используются гравитационные устройства разнообразных конструкций, а в целях повышения эффекта очистки может быть осуществлена предварительная или последующая обработка стоков.

На практике достаточно широко используется отстаивание с использованием реагентов (коагулянтов, флокулянтов, их комбинаций) или без них. Кроме того, технология очистки может включать в себя фильтрование, флотацию, сорбцию, центрифугирование, хлорирование или озонирование. Методы механической очистки, основанные на гравитационном разделении материалов, позволяют извлекать из сточных вод нефтепродукты, находящиеся в грубодисперсном (капельном) состоянии. Поэтому они применяются совместно с другими, более тонкими методами.

Используемые для механической очистки стоков решетки, песколовки, нефтеловушки, отстойники и другие устройства предназначаются для задержания основной массы сопутствующих загрязнений минерального происхождения (песок, земля), а также для защиты от износа и забивания устройств и сооружений, устанавливаемых за ними. В процессе очистки часть нефтепродуктов
всплывает в виде пленки на поверхности воды, а другая часть, покрывая грубодисперсные примеси, опускается на дно.

Основные устройства механической очистки нефтесодержащих стоков:

• коалисцирующие вращающиеся диски;
• песколовки;
• сетки;
• отстойники;
• маслоуловители;
• гидроциклоны;
• нефтеловушки;
• фильтры;
• бензоуловители.

С помощью песколовок удаляются механические грубодисперсные примеси, а также часть нефтепродуктов. В технологических схемах очистки они располагаются между решетками и первичными отстойниками или нефтеуловителями, обеспечивая их нормальную работу.

В зависимости от направления движения сточной воды песколовки подразделяются на горизонтальные и вертикальные. Они применяются при расходе сточных вод более 100 м^3/ч. При меньшем расходе очищаемых вод используют щелевые песколовки, эффективность которых ниже. Горизонтальные и вертикальные песколовки задерживают 15…20 % минеральных примесей из стоков. Удаление осадка из песколовки (кроме щелевой) производится гидроэлеватором.

Основная масса нефтепродуктов из стоков (до 95 %) улавливается с помощью нефтеловушек. По конструктивному исполнению нефтеловушки могут быть
горизонтальными, вертикальными, радиальными с дополнительными устройствами, позволяющими эффективно удалять как плавающие нефтепродукты с поверхности воды, так и осадок. Сокращение времени отстаивания достигается уменьшением пути движения частиц. При использовании многоярусных нефтеловушек (рис. 17.5) степень очистки можно повысить до 98 %.

В России тонкослойные отстойники-нефтеловушки серийно не выпускаются, так как они обладают целым рядом недостатков, уменьшающих их эффективность. В настоящее время имеется значительное количество отечественных и зарубежных патентов на конструкции и узлы тонкослойных отстойников, которые могут быть рекомендованы для промышленного применения.

Остаточное содержание тонкодисперсных нефтепродуктов в стоках после отстаивания составляет 10… 30 мг/л. Процесс отстаивания может быть организован как в специальных отстойниках, так и в маслоловушках. Этот процесс основан на использовании закономерности всплывания маслопродуктов в воде. С помощью
отстойников можно отделять не только легкие фракции (маслопродукты), но и твердые частицы с удельной плотностью выше, чем у воды. Длину отстойника определяют с учетом скорости осаждения твердых частиц и скорости всплывания маслопродуктов. Всплывшие на поверхность маслопродукты удаляются маслосборным устройством. Отделение маслопродуктов в поле действия центробежных сил осуществляют в напорных гидроциклонах. При этом
целесообразнее использовать напорный гидроциклон для одновременного выделения и твердых частиц, и маслопродуктов, что необходимо учитывать в конструкции гидроциклона. Движение потока по спирали позволяет полнее использовать объем аппарата. Поэтому гидроциклоны всегда меньше по объему, чем отстойники.

Гидроциклоны, применяемые в различных отраслях промышленности, подразделяются на напорные, открытые и многоярусные. В качестве примера на рис. 17.6 представлена конструкция многоярусного низконапорного гидроциклона, в котором используются конические диафрагмы, позволяющие повысить эффективность работы аппарата. Для отделения из сточных вод крупных
твердых частиц используются открытые гидроциклоны. Скорость осаждения частиц в таких циклонах достигает 0,02 м/с. Сравнительный анализ таких циклонов с напорными показывает, что открытые циклоны имеют большую производительность и малые потери напора, не превышающие 0,5 кПа. Эффективность очистки сточных вод от твердых частиц в гидроциклонах зависит от
характеристик примесей (вида материала, размеров и формы частиц и др.), а также от конструкционных и геометрических характеристик самого гидроциклона.

Для очистки сточных вод от маслопродуктов достаточно широко используется флотация. Применение процесса флотации позволяет интенсифицировать всплывание маслопродуктов за счет обволакивания пузырьками воздуха, который подается в сточную воду. В зависимости от процесса образования пузырьков воздуха
различают несколько видов флотации: напорную, пневматическую, пенную, химическую, биологическую, вибрационную и электрофлотацию.

На рис. 17.7 представлена схема пневматической флотационной установки (флотатора), предназначенной для очистки сточных вод от маслопродуктов, поверхностно-активных и органических веществ, а также от взвешенных частиц.

Принцип действия флотатора заключается в следующем: сточная вода по трубопроводу 1 из отверстий в нем равномерно поступает во флотатор 10. Одновременно по трубопроводу 2 подается сжатый воздух, который через насадки 11, выполненные из пористого материала, в виде мельчайших пузырьков равномерно распределяется по сечению флотатора. Образующаяся пена скапливается между зеркалом воды и крышкой флотатора 3, откуда она отсасывается центробежным вентилятором 4 в пеносборник 5 и через трубопровод 6 направляется для обработки пены и извлечения из нее маслопродуктов.

В процессе вертикального движения сточной воды во флотаторе содержащийся в воздухе кислород окисляет органические примеси, а при малой их концентрации имеет место насыщение воды кислородом.

Очищенная таким образом сточная вода огибает вертикальную перегородку 9 и сливается в приемник 7 очищенной воды, откуда по трубопроводу 8 подается для дальнейшей обработки. Как было отмечено ранее, флотаторы бывают горизонтальные, вертикальные и радиальные.

Использование коагулянтов (в виде растворов сернокислого алюминия, железа и др.) и флокулянтов (поливиниловый спирт, полиакриламид, полиэтиленоксид) значительно интенсифицирует процесс флотации загрязнений, так как при этом повышается гидрофобизация частиц.

В целях дополнительного обезвреживания сточных вод с помощью электрохимических окислительно-восстановительных реак­ций в промышленности используют метод электрофлотации. Используемые в них алюминиевые или железные электроды обусловливают переход ионов алюминия или железа в раствор, в результате чего происходит коагулирование мельчайших частиц загрязнений, содержащихся в сточной воде.

Электрофлотация гидрофобных загрязнений протекает под воздействием газовыделения, образующегося при электролизе водных растворов с применением электрохимически нерастворимых анодов, например угольных, графитовых и др. Катод, как правило, изготавливают из сетки, а электродный блок располагают горизонтально на дне флотокамеры, что является одним из конструкционных недостатков, так как это способствует засорению блока (рис. 17.8).

Очистка сточных вод, загрязненных мелкодисперсными и коллоидными частицами, требует применения коагулянтов, введение которых можно осуществить при использовании растворимых анодов (алюминия или железа). Таким образом, можно осуществить одновременно и коагуляцию частиц и флотацию их пузырьками.
В ряде случаев единственным способом очистки сточных вод является фильтрование. Классификация фильтров, используемых в различных отраслях промышленности для очистки сточных вод:

• медленные (0,5 м/ч);
• скоростные (2… 15 м/ч), которые могут быть однослойными и многослойными;
• сверхскоросные (25 м/ч).

Фильтры также подразделяются на напорные и безнапорные

На рис. 17.9 приведена схема напорного вертикального фильтра с зернистой загрузкой.

В качестве фильтрующего материала применяют кварцевый песок, керамзит, графит, кокс, полимерные материалы (пенополистирол, пенополиуретан и др.), а также сетки, нетканые материалы на основе синтетических волокон.

При регенерации синтетических фильтрующих материалов удаляется до 95 % адсорбированных нефтепродуктов. Экономическая целесообразность фильтрования определяется продолжительностью работы фильтра между промывками, поэтому, как правило, фильтрование применяют после предварительной механической очистки.

Очистка сточных вод от маслосодержащих примесей с помощью фильтров является заключительным этапом. Фильтрование позволяет снизить концентрацию маслопродуктов в сточной воде на выходе из отстойников и гидроциклонов, которая составляет 0,01 …0,2 кг/м^3 и значительно превышает допустимые концентрации.

Использование кварцевого песка в качестве фильтрующего материала вполне обосновано, так как он наиболее доступен и обладает хорошими фильтрующими свойствами. Кроме него в качестве фильтрующих материалов используют доломит, керамзит, глауконит. Эффективность очистки сточных вод от маслосодержащих примесей значительно повышается при добавлении волокнистых материалов (асбеста и отходов асбесто-цементного производства).

Перечисленные фильтроматериалы обладают рядом недостатков, к которым прежде всего следует отнести малую скорость фильтрации и сложность процесса регенерации.

Эти недостатки можно устранить с помощью вспененного полиуретанового фильтра. Фильтры, выполненные из пенополиуретана, обладают большой маслопоглощающей способностью и при скорости фильтрования около 0,01 м/с обеспечивают эффективность очистки 0,97…0,99. Кроме того, насадки из пенополиуретана легко регенерируются путем механического отжимания маслопродуктов.

В зависимости от состава примесей и их состояния в ряде производств нашли широкое применение зернистые и электромагнитные фильтры. Например, для очистки сточных вод машиностроительных предприятий используют два класса фильтров: зернистые, в которых очищаемую жидкость пропускают через насадки несвязанных пористых материалов, и микрофильтры, фильтроэлементы
которых изготовлены из связанных пористых материалов.

В зернистых фильтрах широко используют в качестве фильтроматериалов кварцевый песок, дробленый шлак, гравий, антрацит и т.д. Изготавливают их однослойными и многослойными.

На рис. 17.10 представлена схема каркасно-насыпного фильтра. Очищаемая сточная вода поступает по коллектору 3 и через отверстия в нем равномерно распределяется по сечению фильтра. Нисходящий поток сточной воды проходит через слои гравия 5 и песка 6, через перфорированное днище 2, установленное на поддерживающем слое 1 гравия и через трубопровод 8 отводится из фильтра.

Регенерация каркасно-насыпного фильтра осуществляется продувкой его сжатым воздухом, который подается по трубопроводу 4, с последующей обратной промывкой водой через вентиль 7.

Скорость фильтрования в данном фильтре составляет 0,0014… 0,002 м/с для сточной воды, поступающей в фильтр из циклона или отстойника; не более 0,0028 м/с для сточной воды, поступающей в фильтр после биологической очистки.

Достоинством такой конструкции являются развитая поверхность фильтрования, простота и высокая эффективность.

Для очистки сточных вод, образующихся при работе кузнечнопрессового и прокатного оборудования, от ферромагнитных примесей применяют электромагнитные фильтры (рис. 17.11). Принцип действия таких фильтров основан на использовании сил взаимодействия между намагниченной фильтрованной загрузкой и ферромагнитными примесями сточной воды.

Исходная сточная вода через трубопровод 1 поступает в корпус 3, выполненный из немагнитного материала, проходит через ограничительную решетку 4, фильтровальную загрузку 5 с толщиной слоя 0,15… 0,2 м, через опорную решетку 6 и выводится из фильтра по трубопроводу 7. Намагничивание фильтровальной загрузки осуществляют магнитным полем, создаваемым катушкой индуктивности 2 с ферромагнитным сердечником. Эффективность очистки сточных вод от ферромагнитных и немагнитных примесей достигает соответственно 98 и 60 %. Регенерацию фильтра осуществляют неочищенной сточной водой при выключенном электромагнитном поле в направлении фильтрования или в обратном направлении чистой водой.

Для очистки сточных вод от растворимых примесей кроме рассмотренных способов широко применяют электрокоагуляцию, сорбцию, нейтрализацию, эвапорацию, ионный обмен, озонирование и др.

Электрокоагуляция чаще всего применяется для очистки сточных вод гальванических и травильных производств от хрома и других тяжелых металлов, а также от цианитов.

Механизм процесса электрокоагуляции заключается в поляризации двойного ионного слоя коллоидной частицы при воздействии электрического поля. В результате частица перемещается к электроду, имеющему противоположный заряд, т.е. происходит поляризационная коагуляция дисперсных частиц.

Широко распространенные реагентные методы очистки нефтесодержащих сточных вод наряду с коагуляцией и флокуляцией включают в себя адсорбцию.

В качестве адсорбентов применяют природные и искусственные пористые материалы. Выпускаемые промышленностью адсорбенты должны иметь определенные стандартные показатели, в том числе прочность на истирание, сорбционную емкость и др.

Наряду с адсорбцией в процессах очистки сточных вод от растворимых примесей широко используют сорбцию. В качестве сорбентов в сорбционных процессах можно использовать практически любые мелкодисперсные вещества, например золу, торф,
шлак, глину и др. Наибольшей сорбционной способностью обладает активированный уголь.

Необходимое количество сорбента можно определить по формуле

где Q — расход сточной воды, м^3; С0, Соч — концентрация примесей соответственно в очищаемой и очищенной воде, г/м^3; а —удельная сорбция, характеризующая количество примесей, поглощаемых единицей массы сорбента.

Ионообменные методы очистки вод находят применение практически в любых отраслях промышленности для очистки от многих примесей, в том числе и шестивалентного хрома. Эти методы обеспечивают высокую эффективность очистки и позволяют получать выделенные из сточной воды металлы в виде относительно
чистых и концентрированных солей.

Сточные воды, содержащие тяжелые металлы, цианиды, сульфиды и ряд других примесей могут подвергаться очистке озонированием. Под действием озона в сточных водах происходит окисление ционид-ионов с выделением кислорода.

После прохождения сточных вод через устройства механической и физико-химической очистки перед сбросом в водоем они подвергаются биохимической очистке, заключающейся в окислении органических загрязнений микроорганизмами.

Для обеспечения нормальной жизнедеятельности микроорганизмов требуются не только органические вещества, но и биогенные элементы, такие как азот, кальций, фтор, хлор и др. Источниками биогенных элементов являются, прежде всего, бытовые сточные воды.

Оптимальное количество бытовых сточных вод для разбавления нефтесодержащих производственных стоков зависит от состава производственных стоков и определяется в каждом конкретном случае экспериментально. Ненормированное использование бытовых стоков может привести к деградации, т.е. ослаблению
адаптированной к данным загрязнениям микрофлоры.

Критерием пригодности методов биохимического окисления для обезвреживания органических загрязнений в сточных водах является биохимический показатель, определяемый как отношение полной биохимической потребности в кислороде (БПКполн) к химической потребности в кислороде (ХПК). БПК — количество
кислорода, необходимое для окисления органических веществ в результате происходящих в воде аэробных биохимических процессов — БПКполн (когда процесс длится 15…20 сут — БПК20; пятисуточное потребление — БПК5). БПК — показатель, используемый для текущего контроля эксплуатируемых очистных сооружений. ХПК выражает количество кислорода, необходимое для
окисления всех углесодержащих соединений.

Биохимическое окисление проводят как в естественных условиях на полях фильтрации, орошения, биологических прудах, так и в искусственно созданных условиях на биофильтрах и в аэротенках. Поля фильтрации, поля орошения и биофильтры функционируют за счет почвенных биоценозов, а биологическое пруды и аэротенки — за счет биоценозов водоемов.

Биологическая очистка сточных вод в искусственных сооружениях осуществляется в биологических фильтрах — аэротенках и окситенках.

В качестве примера на рис. 17.12 представлена схема биологического фильтра с принудительной подачей воздуха. Исходная сточная вода по трубопроводу 3 поступает в фильтр 2 и через водораспределительные устройства 4 равномерно разбрызгивается по площади фильтра. При разбрызгивании сточная вода поглощает
часть кислорода воздуха. В процессе фильтрования через загрузку 5, в качестве которой используют шлак, щебень, керамзит, пластмассу и гравий, на загрузочном материале образуется биологическая пленка, микроорганизмы которой поглощают органические вещества. Интенсивность окисления органических примесей
в пленке существенно увеличивается при подаче сжатого воздуха через трубопровод 1 и опорную решетку 6 в направлении, противоположном фильтрованию. Очищенная от органических примесей вода выводится из фильтра через трубопровод 7.

 

В основу аэротенков положена деятельность микроорганизмов, обитающих в природных водоемах, т.е. активного ила.

Аэротенки подразделяются на аэротенки с регенерацией и без регенерации активного ила, аэротенки-смесители, аэротенкивытеснители и аэротенки-отстойники. На рис. 17.13 представлена схема аэротенка-отстойника.

В зависимости от аэрационных устройств аэротенки подразделяются на аэротенки с механической, пневматической и пневмомеханической аэрацией.

По степени очистки аэротенки подразделяются:

•  на высоконагруженные с частичной очисткой, у которых остаточное БПК превышает 10… 15 мг/л;
• нормально нагруженные с полной биоочисткой, у которых БПК составляет 10… 15 мг/л;
• низконагруженные с частичной и полной очисткой.

На практике для очистки сточных вод используются комбинированные установки, которые одновременно выполняют функции аэротенка и вторичного отстойника, например аэроакселераторы, оксидаторы, реактиваторы и ряд других, в которых в разных комбинациях сочетаются процессы биокоагуляции, отстаивания, осветления во взвешенном слое осадка и аэробного биохимического окисления. В данном сооружении, получившем название «Окситенк», используется чистый или технический кислород, в результате чего улучшается деятельность активного ила,
интенсифицируются окислительные процессы. Благодаря этому окситенки имеют объем примерно на 50… 70 % меньше, чем обычные аэротенки, используемые для очистки этих же сточных вод.