Студопедия

Главная страница Случайная страница

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Очистка сточных вод






Схемы очистки сточных вод.

Выбор метода очистки и подбор состава сооружений представляют собой сложную технико-экономическую задачу и зависят от многих факторов: необходимой степени очистки сточных вод, рельефа местности, энергетических факторов, характера грунтов, размера площади для очистных сооруже­ний, расхода сточных вод, мощности водоема и др.

Если сточные воды сбрасываются в реку с большим расходом воды, то можно ограничиться только их механической очисткой.

Физико-химическая очистка городских сточных вод при­меняется редко и для очистки относительно небольших коли­честв сточных вод. Чаще она применяется для очистки про­мышленных сточных вод.

Для биологической очистки городских сточных вод с расходом до 50000 м3/сут чаще всего применяют биологичес­кие фильтры (биофильтры) различных конструкций и работа­ющие по различным технологическим схемам. В состав сооруже­ний механической очистки сточных вод включен преаэратор — сооружение, в котором осуществляется кратковременная продувка сточных вод воздухом, способствующая повыше­нию эффекта их осветления в первичном отстойнике. После сооружений механической очистки (решетки, пес­коловки, преаэратор и первичные отстойники) вода поступает на биофильтры и затем во вторичные отстойники, в которых задерживается биологическая пленка (биопленка), выносимая водой из биофильтров. Из вторичного отстойника вода на­правляется в контактный резервуар, дезинфицируется и сбра­сывается в водоем.

Проходя через фильтрующую загрузку биофильтра, за­грязненная вода вследствие адсорбции оставляет в ней взве­шенные и коллоидные органические вещества, не осевшие в первичных отстойниках, которые создают биопленку, густо заселенную микроорганизмами. Микроорганизмы биопленки окисляют органические вещества и получают необходимую для своей жизнедеятельности энергию. Часть растворенных органических веществ микроорганизмы используют как плас­тический материал для увеличения своей массы. Таким обра­зом, из сточной воды удаляются органические вещества, а в теле биофильтра увеличивается масса биологической пленки. Отработавшая и омертвевшая пленка смывается протекающей сточной водой и выносится из биофильтра.

Для обработки смеси осадка из первичных отстойников (сырой осадок) и биологической пленки из вторичных отстой­ников чаще всего применяют метантенки. Сброженный (минерализованный) осадок, выгру­жаемый из метантенков, поступает на сооружения для его обезвоживания. В качестве сооружений для обезвоживания сброженного осадка используются вакуум-фильтры, фильтр-прессы или центрифуги. Обезвоженный осадок чаще всего используется в качестве органо-минерального удобрения в сельском хозяйстве.

Для нормального хода процесса в биофильтрах иногда необходимо осуществлять рециркуляцию осветленной во вто­ричных отстойниках воды, т.е. подавать перед биофильтрами и смешивать с водой из первичных отстойников. Необходи­мость рециркуляции определяется расчетом.

В варианте станции без метантенков осадок из первичных отстойников направляется на сооружения для обезвоживания, а затем сушится в сушилках со встречными струями и исполь­зуется в качестве удобрения. Биологическая пленка из вторич­ных отстойников подается в преаэратор и затем осаждается в первичном отстойнике.

При больших расходах сточных вод наиболее широко применяется технологическая схема, приведенная на рис.6.

Биологическая очистка сточных вод по этой схеме осущес­твляется в аэротенке. Аэротенк представляет собой открытый резервуар, в котором медленно движется смесь активного ила и очищаемой осветленной сточной воды, поступающей из первичного отстойника. Активный ил представляет собой биоценоз микроорганизмов-минерализаторов, способных со­рбировать на своей поверхности и окислять в присутствии кислорода воздуха растворенные и нерастворенные органичес­кие вещества сточной воды. Для нормальной жизнедеятель­ности микроорганизмов-минерализаторов в аэротенк должен непрерывно поступать воздух, который подается воздуходув­ками, установленными в машинном здании. Смесь сточной воды и активного ила (иловая смесь) из аэротенка направля­ется во вторичный отстойник, где активный ил выделяетсяиз сточной воды путем отстаивания, и основная его масса возвра­щается в аэротенк.

 

 
 

 


 

газгольдер
дробилка
решетка
отбросы

газ на

использо-

вание

 

           
 
   
песколовка
 
песковые площадки
 


песок

сжатый

воздух

 


преаэратор

метантенк

иловая вода

осадок избыточный активный ил

обезвоживание сброженного осадка


илоуплотнитель
отстойник

           
   
 
   
 
 

 


аэротенк
циркуляционный активный

на удобрение ил

       
 
 
   

 

 


 
 

 


 

 

 

выпуск

 

 

Рис.6. Технологическая схема очистной станции с биологической очисткой сточных вод в аэротенках (Яковлев, 1972).

 

Химические процессы, происходящие при биологической очистке сточных вод.

Биологические методы отличаются высокой эффективностью и производительностью, экологической безопасностью, простотой и дешевизной эксплуатации, саморегуляцией процесса очистки в широком диапазоне режимов. Первичным и ключевым звеном процесса является микробное разложение (деструкция) органических веществ до безвредных соединений и, в конечном счете, до углекислого газа и воды (Голубовская, 1978).

На современных сооружениях биологической очистки осуществляются последовательные многостадийные технологические процессы удаления загрязняющих веществ из сточных вод и обработки осадка.

Степень загрязнения стоков органическими веществами характеризуется обобщенными показателями.

Наиболее значительными являются: БПК, ХПК, общее содержание углерода (Жмур, 2001).

Биологическое потребление кислорода (БПК) - количество кислорода, выраженное в миллиграммах, требуемое для окисления находящихся в 1 л сточной воды органических веществ в аэробных условиях, в результате происходящих в воде биологических процессов.

Химическое потребление кислорода (ХПК) – общая концентрация кислорода, равная количеству бихромата, потреблённому растворенным и взвешенным веществом при обработке пробы воды данным окислителем в определенных условиях.

Общий органический углерод (ООУ) – сумма органически связанного углерода в растворенных и нерастворенных соединениях (Жмур, 1996).

1. Канализационные сети. В сточных водах азот представлен в основном в виде минеральной (NH4+, NO2-, NO3-) и органической (аминокислоты, белок тканей, организмов) составляющих.

80-90% - в виде аммиака или мочевины. Органическая составляющая подвергается аммонификации - бактериальное превращение органических соединений азота в неорганические формы, основной из которых является аммиак.

Например, мочевина под действием фермента уреазы превращается в аммиак:

(NH4)2CО + 2H2O = 2NH3 + CO2 + H2O

Аммиак в сточных водах находится в основном равновесии с ионом аммония:

-при рН < 7, 0 и при понижении температуры: NH3 + H2O = NH4+ +ОН-

-при рН > 7, 0 и при повышении температуры: NH4+ +ОН-= NH3 + H2O

В бытовые сточные воды 30-50 % фосфора поступает из выделений человека, а 50-70 % - из синтетических моющих средств и сточных вод различных промышленных производств. В канализацию с бытовыми сточными водами поступают минеральные и органические соединения фосфора, причем до 50-70% в них составляют ортофосфаты, до 15% нерастворимый фосфор на взвешенных частицах, большая часть которых улавливается в первичных отстойниках.

2. Решетки. Содержащиеся в сточных водах бумага, тряпьё и другие крупные и волокнистые материалы осложняют работу очистных сооружений. Поэтому важной и обязательной мерой очистки и подготовки воды для последующей очистки является удаление из сточных вод крупных загрязнений. Для этого в составе всех очистных сооружений проектируются решетки. Они выполняются из ряда металлических стержней, расположенных параллельно друг другу и создающих плоскость с прозорами, через которую процеживается вода. Стержни решетки закрепляются в специальной раме, обеспечивающей жесткость всей решетки и фиксацию расстояния между стержнями (ширину прозоров).

3. Песколовки. Сточные воды, освобожденные от крупных плавающих загрязнений на решетках, поступают на песколовки, назначение которых - освободить сточных воды от тяжелых примесей минерального происхождения с размером частиц 0, 25-1 мм.

Принцип действия песколовки гравитационный, т.е. минеральные частицы, удельный вес которых больше удельного веса воды (1, 6 г/см3), главным образом песок, выпадают на дно.

4.Первичные отстойники. Отстаивание является наиболее простым и часто применяемым на практике способом удаления из сточных вод грубодисперсных нерастворенных примесей, ко­торые под действием гравитационной силы оседают на дно отстойника или всплы­вают на поверхность. Первич­ными называются отстойники, входящие в состав сооружений механической очист­ки, они задерживают гораздо более мелкие взвеси, чем песколовки (Жмур, 2003).

5. Аэротенки и биологические фильтры. Процесс биологической очистки загрязняющих веществ в аэротенках происходит при непосредственном контакте сточных вод с оптимальным количеством организмов активного ила в присутствии соответствующего количества растворенного кислорода с последующим отделением активного ила от очищенной воды во вторичных отстойниках.

Активный ил постоянно образует новые клетки, осуществляя биохимическое окисление органических загрязняющих веществ. Активный ил – это искусственно выращиваемый биоценоз при аэрации антропогенно загрязненных вод. Формула ила – С5Н7O2N, C33H117O33N17P (Жмур, 1996).

Активный ил в аэротенках образуется за счет суспензии сточной жидкости, адсорбции коллоидов и размножения на этом субстрате микроорганизмов.

В состав активного ила входит весь комплекс микробов сточ­ной жидкости, в том числе и патогенная флора человека. Они ад­сорбируются на активном иле и в зависимости от их физиологи­ческих особенностей приспосабливаются к окружающей среде, входя в комплекс минерализаторов. Часть флоры, не приспособившейся к внешним условиям, отмирает и служит питательным веще­ством для микробов минерализаторов.

Основную часть активного ила составляют бактерии. В биоценозах активного ила присутствуют представители шести отделов микро­флоры (бактерии, грибы, диатомовые, зеленые, синезеленые, эвгленовые микроводоросли) и девяти таксономических групп микрофауны (жгутиконосцы, саркодовые, инфузории, первичнополостные и вторичнополостные черви, брюхоресничные черви, коловратки, тихоходки, паукообразные) (Возная, 1979).

Для нормального процесса синтеза клеточного вещества, а следовательно, и для эффективного процесса очистки воды в cреде должна быть достаточная концентрация всех основных элементов питания – органического углерода (БПК), азота, фосфора (Жмур, 1997).

Качество активного ила характеризуется иловым индексом— это объем ила в мл, занимаемый во влажном состоянии после 30-минутного отстаивания одним граммом сухого вещества.

Структура окислительного процесса:

· Окисление органического вещества

СxHyOz + (x+0, 25y-0, 5z)O2 = xCO2 + 0, 5yH2O + ∆ W;

· Синтез бактериальных клеток

СxHyOz + nNH3 + n(x+0, 25y-0, 5z-5)O2 = n(C5H7NO2) + n(x-5)CO2 + 0, 5n(y-4) H2O-∆ W;

· Окисление клеточного материала

C5H7NO2+ 5n O2 = 5n CO2+ 2nH2O+ n NH3+ ∆ W,

где СxHyOz, C5H7NO2- эмпирические формулы соответственно органических загрязнений и бактериальной клетки; х, y, z –стехиометрические коэффициенты, зависящие от вида загрязнений (Яковлев, 1980).

Биохимическое окисление органических веществ:

1) биохимическое окисление алканов может происходить по цепи реакций:

СnH2n+2 CnH2n СnH2n+1OH R1-CO-R2 R-COOH CO2 + H2O

2) биохимическое окисление спиртов может протекать разными путями:

 

R-OH R-COH R-COOH CO2 + H2O

R1-CH(OH)-R2 R1-CO-R2 R-COOH CO2 + H2O

3) биохимическое окисление альдегидов и кетонов более полно происходит при C25;

4) окисление монокарбоновых кислот возможно только до С20 ;

Все известные ароматические и аминокислоты обычно окисляются очень легко;

5) все углеводы, кроме целлюлозы, распадаются легко;

6) простые эфиры (R1-O-R2) окисляются с большим трудом. Исключение – диметоксиметан СН3(ОСН3)2;

7) соединения, содержащие винильную связь, окисляются энергично;

8) в изучении биоразложения синтетических ПАВ наиболее важны два фактора:

а) высокие концентрации ПАВ могут ингибировать и даже разрушать бактерии, а при низких концентрациях бактерии могут разрушать эти вещества;

б) бактерии могут удалять ПАВ адсорбцией без окисления (Яковлев, 1996).

Нитрификация

Процесс нитрификации рассматривают как двустадийных процесс, осуществляемый группами бактерий-хемоавтотрофов Nitrosomonas и Nitrobacter (Мишуков, 2004).

I стадия – окисление солей аммония в нитриты:

NH4+ + 1, 5О2 = 2Н+ + 2NO2- + H2O + энергия

Процесс нитрификации аммонийного азота происходит сопряжено с восстановлением CO2 :

CO2 + 4Н+ + энергия = С6Н12О6 + H2O

II стадия – образование нитратов (тормозится избытком NH3):

2NO2- + О2 = 2 NO3-

Суммарное уравнение: NH4++ О2 + НСО3- = С5Н7O2N + H2O + NO3-+ CO2

При нитрификации используется НСО3- и, следовательно, рН уменьшается:

CO2 + H2O Н2СО3 НСО3-+ Н+.

Фосфор. В аэробных условиях аэротенков полифосфаты и ортофосфаты усваиваются организмами активного ила.

Организмы активного ила, способные накапливать внутриклеточно в гранулах волютина ортофосфаты, полифосфаты и связанный органический фосфор, используют его как энергетический резерв, расходуемый на потребление субстрата в анаэробных условиях. Энергия фосфатов тратится на потребление легкоокисляемой органики, клеточный синтез и транспортный перенос в процессе дыхания в анаэробных условиях. Эти процессы сопровождаются отдачей фосфора в воду.

В процессе биологической очистки в аэротенках при определённых значениях рН и при наличии ионов Са2+, Мg2+, Fe2+, Al3+ происходит процесс дополнительного изъятия фосфора, путем образования нерастворимых компонентов:

10Са2+ + 6РО43-+2ОН-= Ca10(PO4)6(OH)2

3Fe2+ + 2РО43-+ 8H2O = Fe3(PO4)2*8H2O

Al3+ + РО43-+2H2O = AlPO4*2H2O и т.д.

Чем эффективнее нитрификация в аэротенках, тем больше накапливается фосфатов в клетках активного ила, и тем больше они его отдадут во вторичных отстойниках (Амбросова, 2002). Поэтому для достижения ПДК по фосфору 0, 3 мг/л применяют реагентный способ удаления соединений фосфора на стадии доочистки сточных вод.

В качестве реагентов могут быть использованы следующие коагулянты, способствующие одновременно более глубокой доочистке сточных вод от трудноокисляемых примесей (анионных СПАВ и нефтепродуктов) (Жмур, 2003):

· хлорид железа (III)

FeCl3 *6H2O + PO43- = FePO4 + 3Cl- + 6H2O

Одновременно образуется гидроксид железа:

FeCl3 *6H2O + 3H2O= Fe(OH)3+ 3H+ + 3Cl- + 6H2O

· сульфат железа (II)

FeSO4*7H2O+ 0, 5O2+ H2O= Fe3+ + 2SO42-+2OH-+14 H2O

Fe3++3H2O= Fe(OH)3+ 3H+

· сульфат алюминия

Al3++ PO43- = AlPO4

Al3+ + 3H2O = Al(OH)3 + 3H+

6. Вторичные отстойники. Основная масса активного ила, отстоявшегося во вторичном отстойнике должна перекачиваться снова в аэротенк. Избыточное количество следует отделять и направлять на утилизацию.

В результате денитрификации происходит разрыв хлопьев ила газообразным азотом. Всплывание на поверхность отстойника и вынос с очищенной водой.

Таким образом, при ухудшении аэрационных условий могут наблюдаться явления денитрификации.

Авосст. + NO3-окисл., где

Авосст.-донор е-, представленный органическими соединениями или водородом;

Аокисл.- окисленное органическое соединение или вода.

NO3- NO2- NO N2O N2

Во вторичном отстойнике может происходить загрязнение воды аммонийным азотом и фосфатами.

Во вторичных отстойниках происходит разделение иловой смеси на две составляющие: биологически очищенную сточную жидкость и сконцентрированный ил. Очищенная жидкость направляется на дальнейшую обработку, а активный ил загружается в илоуплотнитель и попадает в анаэробные условия.

Находясь в анаэробных условиях, активный ил способен выделять в окружающую среду фосфор в виде ионов Р043-. Степень высвобождения фосфора зависит от многих факторов: рН, температуры и концентрации загружаемого в илоуплотнитель ила, а также от продолжительности его нахождения в анаэробных условиях. Наибольшее влияние на высвобождение фосфора оказывает активная реакция, поэтому для интенсификации процессов высвобождения фосфора в иловую смесь можно вводить серную или уксусную кислоты. К сожалению, возможные передозировки серной кислоты могут привести к гибели микроорганизмов, что не наблюдается при использовании уксусной кислоты, которая в аэробных условиях служит питательным субстратом для микроорганизмов.

В процессе высвобождения фосфора из клеток микроорганизмов иловая вода, удаляемая из илоуплотнителей, обогащается ионами РО43- и направляется на физико-химическую очистку, где, взаимодействуя с Са(ОН)2 они образуют труднорастворимое соединение Са5ОН(Р04)3. Так как в сточной жидкости присутствуют в достаточном количестве ионы Мg2+ и NH4+, то помимо Са5ОН(РО4)3 образуется и выпадает в осадок двухосновная соль ортофосфорной кислоты МgNН4Р04*6Н2O. После отстойника физико-химической очистки иловая вода подается на повторную очистку.

Активный ил, обедненный фосфором, возвращается после илоуплотнителя в аэротенк, где он «жадно» поглощает фосфор, восстанавливая потерянную часть (Методика…, 1997).

7. Обеззараживание сточных вод - чрезвычайно важный этап очистки сточных вод, направленный на предотвращение распространения инфекционных заболеваний и защиту поверхностных и подземных водоёмов от заражения.

7.1. Обеззараживание хлорированием. В настоящее время промышленными методами, прошедшими проверку на крупных действующих сооружениях очистки воды, являются хлорирование, озонирование и ультрафиолетовое (УФ) облучение.

Несмотря на технические сложности при транспортировке, хранении и дозировании хлор-газа, его высокую коррозионную активность, потенциальную опасность возникновения чрезвычайных ситуаций, процесс хлорирования широко применяется до настоящего времени.

Главными причинами широкого распространения метода хлорирования явились высокая надежность бактерицидного и вирулицидного действия, возможность простого оперативного контроля за процессом обеззараживания путем химического определения остаточного хлора, относительная простота конструктивного оформления аппаратуры, дешевизна метода (Русанова, 2002).

При всей распространенности метода хлорирования ему присущи и существенные технологические недостатки, в частности, недостаточная эффективность в отношении вирусов. Другим серьезным недостатком является образование в воде под действием хлора хлорорганических соединений: хлороформа (ПДК=0, 2мг/л), четыреххлористого углерода (ПДК=0, 006 мг/л), бромдихлорметана (ПДК=0, 03 мг/л), хлорфенола, хлорбензольных и хлорфенилуксусных соединений, хлорированных пиренов и пиридинов, хлораминов и др.

Хлорирование сточных вод приводит к тому, что хлорпроизводные и хлор, попадая в естественные водоёмы, оказывают отрицательное воздействие на различные водные организмы, вызывая у них серьезные физиологические изменения и даже их гибель, что приводит к нарушению процессов самоочищения водоёмов. Хлорорганические соединения способны аккумулироваться в донных отложениях, тканях гидробионтов и, в конечном счете, по трофическим цепям попадать в организм человека. Существует опасность возможного неблагоприятного воздействия образующихся в процессе хлорирования галогенпроизводных углеводородов на здоровье населения через включение этих продуктов в пищевые цепи, например водоросли (планктон) - ракообразные - рыбы - человек, а также использование водоема в качестве источника водоснабжения.

Образование хлораминов также является крайне нежелательным явлением. Эти вещества по данным исследований многочисленных авторов, даже при очень низких концентрациях ядовиты для рыб. Беспокойство, вызванное повышенной токсичностью следов остаточного хлора и хлораминов, привело к принятию администрацией многих штатов США (в частности, Калифорнии и Мериленда) требований, ограничивающих остаточную концентрацию хлора до 0, 1 мг/л.

При транспортировании, хранении и использовании хлора необходимо соблюдение специальных мер по обеспечению безопасности обслуживающего персонала, окружающей природной среды и населения.

7.2. Озонирование сточных вод. 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.

Механизм воздействия озона на загрязнения природных и сточ­ных вод — молекулярное окисление и атака активными радикалами. В значительной степени механизм окисления обусловлен дипольностью молекулы озона, которая фик­сируется на заряженных частицах и разрывает двойные связи образованием окисленных форм. Полярный характер молекулы поз­воляет также использовать озон в процессе каталитического окис­ления совместно с Аl2О3, Fе2О3, ультразвуком, ультрафиолетовыми лучами (Кудрявцев, 2004).

Озонирование заключается в пропуске через воду озонированного воздуха, т.е. воздуха, в котором кислород частично переведен в трехатомарную форму (О3). Озон обладает высокой бактерицидной активностью и обеспечивает надежное обеззара­живание воды. Он обладает рядом преимуществ по сравнению с хлором: получается непосредственно на станции очистки воды, не ухудшает вкусовых качеств воды, не ведет к возникновению в ней запахов (Орлов, 1984).

Имеются и недостатки: 1) токсичность озона. Доза озона для обеззараживания воды зависит от ее свойств и колеблется в пределах от 0, 6 до 3, 5 мг/л; 2) сложность получения озона. Атмосферный воздух, забираемый для произ­водства озона, должен быть очищен от пыли, а также осушен. Наличие влаги в используемом воздухе вызывает увеличение расхода энергии, затрачива­емой на получение озона; кроме того необходимо высокое напряжение (до 20 тыс. вольт). Озонаторные установки энергоемки и требуют квалифициро­ванного обслуживания; 3) образование побочных продуктов озонирования и их возможное воздействие на человека. Продукты реакции озона с содержащимися в воде органическими веществами предположительно представляют собой альдегиды, кетоны и другие соединения. Например, имеются указания на образование при озонировании ряда карбонильных соединений, содержание которых в питьевой воде нормируется (формальдегид, ПДК - 0, 05 мг/л, бензальдегид -0, 003 мг/л, ацетальдегид - 0, 2 мг/л); 4) необходимость специальных устройств введения озона и обеспечения требуемой продолжительности контакта озона с водой (Иванов, 2000).

7.3. Обеззараживание сточных вод УФ излучением. Метод УФ обеззараживания имеет следующие преимущества по отношению к окислительным обеззараживающим методам (хлорирование, озонирование):

· УФ облучение летально для большинства водных бактерий, вирусов, спор и протозоа. Оно уничтожает возбудителей таких инфекционных болезней, как тиф, холера, дизентерия, вирусный гепатит, полиомиелит и др.

· обеззараживание ультрафиолетом происходит за счет фотохимических реакций внутри микроорганизмов, поэтому на его эффективность изменение характеристик воды оказывает намного меньшее влияние, чем при обеззараживании химическими реагентами.

· в обработанной ультрафиолетовым излучением воде не обнаруживаются токсичные и мутагенные соединения, оказывающие негативное влияние на биоценоз водоемов;

· в отличие от окислительных технологий в случае передозировки отсутствуют отрицательные эффекты. Это позволяет значительно упростить контроль за процессом обеззараживания и не проводить анализы на определение содержания в воде остаточной концентрации дезинфектанта;

· время обеззараживания при УФ облучении составляет 1-10 секунд в проточном режиме, поэтому отсутствует необходимость в создании контактных емкостей;

· достижения последних лет в светотехнике и электротехнике позволяют обеспечить высокую степень надежности УФ комплексов. Современные УФ лампы и пускорегулирующая аппаратура к ним выпускаются серийно, имеют высокий эксплуатационный ресурс;

· для обеззараживания УФ излучением характерны более низкие, чем при хлорировании и, тем более, озонировании эксплуатационные расходы. Это связано со сравнительно небольшими затратами электроэнергии (в 3-5 раз меньшими, чем при озонировании); отсутствием потребности в дорогостоящих реагентах: жидком хлоре, гипохлорите натрия или кальция, а также отсутствием необходимости в реагентах для дехлорирования;

· отсутствует необходимость создания складов токсичных хлорсодержащих реагентов, требующих соблюдения специальных мер технической и экологической безопасности, что повышает надежность систем водоснабжения и канализации в целом;

· УФ оборудование компактно, требует минимальных площадей, его внедрение возможно в действующие технологические процессы очистных сооружений без остановки, с минимальными объемами строительно-монтажных работ (Ахмадеев, 2000).

Недостатками бактерицидного обеззараживания воды являются:

1. Опасность загрязнения ртутью, используемой в бактерицидных лампах.

2. Особые требования к воде, подвергаемой облучению. Она должна быть прозрачной и обладать наибольшей проницаемостью для бактерицидных лучей.

3. Необходимость пропуска всей обеззараживаемой воды через установку, т.е. производительность установки должна быть равна производительности водопроводной станции.

4. Большая энергоемкость установок.

Как видно из приведенного выше краткого анализа наиболее распространенных методов обеззараживания воды, они имеют те или иные недостатки.

Поиск альтернативных методов для обеззараживания воды продолжается. И здесь не обойти вниманием продукты электрохимической активации воды (ЭХА).

7.4. Электрохимическая активация воды - это отечественное открытие, сделанное в 1975 году в результате исследований по электрохимическому регулированию свойств буровых растворов.

Электрохимические активные растворы производятся путем катодной или анодной (униполярной) электрохимической обра­ботки воды в диафрагменном электрохимическом реакторе. Суть ЭХА заключается в том, что разбавленные водные растворы минеральных солей, к которым относится также и обычная питьевая вода, в результате униполярной электрохимической обработки переходят в метастабильное состояние. Это состояние характеризуется ано­мальными и релаксирующими (изменяющимися во времени) физико-химическими параметрами и свойствами, достигающими стабильных значений спустя длительное время - от минут до сотен часов, электрохимически активированные растворы про­являют каталитическую активность и повышенную реакционную способность в окислительно-восстановительных и других, сопряженных с ними, реакциях. Полученные в результате электрохимической активации растворы получили, название анолита и католита (Иванов, 2000).

8. Сооружения по обработке осадков сточных вод [24]

Характеристика осадков сточных вод. При полной биологической очистке из сточной воды извлекается до 90—95% первоначального содержания загрязнений, оцениваемого количеством взвешенных ве­ществ[25] и величиной БПК, а при наличии фильтров доочистки—до 98—99%.

В процессе очистки сточных вод на решетках задерживаются крупные отбросы — остатки овощей, тряпки, бумага и прочее. Эти отбросы дробятся и направляются для совместной переработки с другими видами осадков очистных сооружений.

В зависимости от принятых методов очистки сточных вод и обработки образующихся осадков различают следующие виды осадков: песок, задерживаемый песколовками, сырой осадок и плавающие вещества, улавливаемые в первичных отстойниках, активный ил или биологическая пленка, задер­живаемые во вторичных отстойниках (на станциях с аэротенками или биофильтрами), анаэробно сброженный осадок в септиках[26], двухъярусных отстойниках, осветлителях-перегнивателях или метантенках, аэробно стабилизированный актив­ный ил или смесь его с осадком из первичных отстойников, обработанный в аэробных стабилизаторах, сгущенный актив­ный ил в сепараторах, уплотненный активный ил в илоуплотнителях, механически обезвоженный осадок из вакуум-филь­тров, центрифуг или фильтр-прессов, осадок, подсушенный на иловых площадках и термически высушенный в сушилках различной конструкции.

Объем осадков, образующихся на городской очистной станции, составляет 0, 5—1% расхода обрабатываемых сточ­ных вод.

Сырой осадок из первичных отстойников представляет собой суспензию, органическая часть которой составляет 75 — 80%, влажность осадка 94—96%.

Активный ил имеет относительно однородный состав — более 98% частиц ила имеют крупность менее 1 мм. Активный ил представляет собой биоценоз микроорганизмов и простейших, его органическая часть составляет 70—75%. Влажность активного ила, выгружаемого из вторичных отстойников, равна 99, 2-99, 5%.

Основную массу органической части сырого осадка и активного ила составляют белковые, жиро- и углеводоподобные вещества (80—85%). Остальные 15—20% приходятсянадолю лигнино-гумусового комплекса соединений.

Высокие концентрации органических веществ в сыром осадке и активном иле вызывают способность их быстро загнивать, а высокая бактериальная загрязненность и наличие яиц гельминтов вызывают опасность возникновения инфек­ций.

Для анаэробного сбраживания осадка и ила используют септики, двухъярусные отстойники, осветлители-перегниватели и метантенки. Для обработки относительно небольших количеств активного ила и сырого осадка применяют метод аэробной стабилизации (минерализации).

Сброженный осадок в зависимости от типа сооружения, в котором он обрабатывается, имеет влажность 90—97%. Сбро­женный осадок содержит в высоких концентрациях азот, фосфор и калий и может использоваться в сельском хозяйстве в качестве удобрения. Но для такого использования и с целью удобства транспортирования осадок необходимо обезвожи­вать, т.е. удалять из него воду.

Наиболее распространенным методом обезвоживания сброженного осадка является сушка его на иловых площадках, на которых преимущественно за счет испарения теряется значи­тельная часть воды.

Для крупных очистных сооружений, где образуется значи­тельное количество осадка, и ила для обезвоживания его на иловых площадках требуются значительные земельные пло­щади. На таких станциях осуществляют механическое обезво­живание осадков на вакуум-фильтрах, центрифугах или фильтр-прессах различных конструкций. Если по каким-либо сообра­жениям необходимо более глубокое (до влажности 25—30%) обезвоживание механически обезвоженных осадков, то приме­няют их термическую сушку. Иногда при соответствующем технико-экономическом обосновании применяют сжигание осадков.

Разработаны также другие методы обработки осадков: обеззараживание жидких осадков нагреванием, химическое обеззараживание осадков, дегельминтизация обезвоженных осадков, компостирование осадков, совместная обработка осадков сточных вод и твердых бытовых отходов, тепловая обработка осадков сточных вод и т.д.

Ана­эробное биохимическое окисление — широко применяет­ся в нашей стране при обработке осадков городских сточ­ных вод. На станциях малой пропускной способности для этой цели применяются двухъярусные отстойники, осветлители-перегниватели, а на станциях большой про­пускной способности — метантенки. При сбраживании осадков эффект обеззараживания по бактериальным за­грязнениям может быть очень высоким, особенно в условиях термофильных температур.

В осадках при высокой концентрации в них сухого вещества все еще содержится 92—98% воды. Транспор­тирование лишней воды, например, при использовании осадков в качестве удобрений, нерентабельно. Поэтому важной задачей в общей системе обработки осадков яв­ляется удаление лишней влаги. Современными техниче­скими средствами можно добиться любой степени умень­шения влажности. Процессы снижения влаги до 70— 80% принято называть обезвоживанием, а с 70—80% до 5—40% —сушкой осадков. Разные названия двух степе­ней удаления влаги носят условный характер, но они мо­гут быть до некоторой степени оправданы тем, что каж­дая степень соответствует разрушению определенного вида связи воды в осадке. Поскольку сушка осуществля­ется в аппаратах при высокой температуре, то одновременно с интенсивным испарением влаги происходит пол­ная дезинфекция осадка. Кроме перечисленных выше приемов обработки осад­ков применяется и способ уничтожения их путем сжигания (в тех случаях, когда полезное использование осад­ков затруднительно и неэкономично). Компоновка системы полной обработки осадка может быть самой разнообразной, в особенности на станциях малой и средней пропускной способности. Так, стадия сбраживания осадка может вообще отсутствовать. В этом варианте обезвоживаются сырые осадки, после чего они подвергаются дезинфекции (компостированием, облучением, прогреванием и т. п.) либо сжигаются. На станциях большой пропускной способности, как правило, устраиваются метантенки с последующим обезвожива­нием и сушкой сброженного осадка в естественных или искусственных условиях.

Процессы метанового брожения и их технологическая оценка. Для описания процессов распада органических ве­ществ при сбраживании осадков широко пользуются схемой, предложенной Баркером. По этой схеме процесс брожения состоит из двух фаз — кислой и метановой, по­следовательно сменяющих одна другую и протекающих с одинаковыми скоростями.

 

CO2 , СН4

Н2S

Органические

вещества кислотообразующие Органические кислоты CO2 и СН4

бактерии кислоторасщепляющие

метанообразующие бактерии

(Яковлев, 1972).

Первую фазу брожения называют кислой потому, что основным конечным продуктом распада органических веществ являются низшие ор­ганические кислоты ряда предельных углеводородов, на­зываемые низшими жирными кислотами (НЖК). К ним относятся кислоты: муравьиная, уксусная, пропионовая, масляная и другие с содержанием до пяти-шести атомов углерода.

Присутствие кислот в среде обусловливает ее кислую реакцию. Кроме НЖК продуктами распада первой фазы являются низшие жирные спирты, аминокислоты, неко­торые альдегиды и кетоны, глицерин, а также углекислота, водород, сероводород, аммиак и некоторые другие соединения. Осуществляют эту фазу процесса бактерии, относящиеся к факультативным анаэробам (молочно­кислые бактерии, уксусно-кислые, пропионово-кислые и т. п.) и к облигатным анаэробам (масляно-кислые бактерии, целлюлозные, ацетонобутиловые и др.).

Вторую фазу процесса называют щелочной, или метановой. Реакция среды в этой фазе щелочная (рН=7, 6…8).

Продукты распада первой фазы перерабатыва­ются бактериями второй фазы брожения с образованием в основном углекислоты и метана. Бактерии этой фазы — облигатные анаэробы. Выделено сравнительно немного чистых культур метанообразующих бактерий. В основ­ном они относятся к трем родам — метанобактериям, метаносарцинам и метанококкам.

Поскольку скорости процессов в обеих фазах одинаковы, то в сбраживаемой массе не происходит накапли­вания продуктов первой фазы, и они обнаруживаются лишь в небольшом количестве. Однако, если имеются какие-либо нарушения технологического режима, то среда становится кислой, поскольку в первую очередь гибнут наиболее чувствительные ко всякого рода нежелательным изменениям бактерии метановой фазы процесса. Осадок в этом случае приобретает крайне неприятный запах, обусловленный наличием кислот, спиртов, производных сероводорода и меркаптанов. Происходит «закисание» метантенка.

В процессе сбраживания от 35 до 55% органического вещества распадается с выделением продуктов в газ и иловую воду. По современным представлениям, газы бро­жения продуцируют только жиро-, белково-и углеводоподобные соединения. При распаде органических компонентов осадков продукты распада переходят в растворенную фазу, т. е. в иловую воду. В результате процессов брожения увеличивается влажность и зольность осадков.

Исследованиями установлено, что больше всего газа образуется при сбраживании жироподобных веществ, меньше всего — при распаде белковоподобных.

Существенным недостатком сбраживания является ухудшение влагоотдачи осадков за счет образования большого количества мелкодисперсных и коллоидных частиц. Для удаления этих частиц перед механическим обезвоживанием осадки промывают. Эта операция ус­ложняет технологическую схему и увеличивает стои­мость обработки. Кроме того, при промывке неизбежно происходит загрязнение промывной воды мелкими взве­шенными частицами, поэтому, чем тщательней осущест­вляется промывка, тем, естественно, большее коли­чество взвешенных частиц удаляется со сливной водой из уплотнителей, что приводит к увеличению нагрузки на аэрационные сооружения и вызывает соответствую­щий прирост активного ила (Яковлев, 1996).

Аэробная стабилизация осадка. Основной целью при этом являются: стабилизация ила, уменьшение его количества, деструкция токсичных веществ.

При аэробном окислении, так же как при сбраживании, происходят значительные преобразования твердой фазы осадков.

Это процесс окисления органической части осадков аэробными микроорганизмами в присутствии кислорода воздуха. При аэробной стабилизации происходят процессы развития самых жизнестойких культур бактерий за счет отмирания менее жизнестойких и главным образом за счет расходования внутренних запасов клетки: С5Н7O2N +7О2 = 5CO2 + 3H2O +HNO3.

Ксооружениям для аэробной минерализации ила относятся аэротенки длительной аэрации, аэробные минерализаторы (иначе называемые аэробными стабилизаторами), циркуляци­онные окислительные каналы, некоторые разновидности биологических прудов, работающих в условиях низких нагрузок. Кроме аэробных минерализаторов все осталь­ные перечисленные сооружения совмещают в себе функ­ции биологической очистки сточной воды и минерали­зации ила.

Минерализация ила, или биологическое его окисление —это процесс окисления клеточного вещества, ко­торый происходит в той стадии развития популяции микроорганизмов, когда первоначальные органические загрязнения в сточной воде уже отсутствуют и дальней­шее существование сообщества микроорганизмов обес­печивается окислением внутреннего запаса питательных веществ клеток, внутривидовой борьбой за существо­вание среди бактерий, развитием автотрофных культур нитрификаторов.

При смешении сточной воды с активным илом про­исходит достаточно быстрое изъятие из воды содержа­щихся в ней органических загрязнений, что и является собственно очисткой сточной воды. Изъятие загрязнений—комплексный процесс. Сюда входят бы­строе усвоение растворенных веществ, усвоение после предварительного гидролитического расщепления сложных соединений и захватывание поверхностью зооглей и иловых частичек нерастворенных примесей и др.

Процессы внутриклеточной переработки полученного питания, иначе процессы регенерации клетки или окис­ления вещества, начинающиеся, естественно, сразу же после того, как только загрязнения поглощены клеткой, длятся дольше, чем изъятие загрязнений из воды.

При минерализации ила уменьшается масса беззольного вещества, а следовательно, и масса сухого вещест­ва, что обусловливает увеличение зольности ила. Мак­симально достигаемые величины зольности ила колеб­лются в пределах 45—55%. Более глубокого окисления ила получить не удается, поскольку в его составе пре­обладающей становится биохимически не усвояемая органическая материя.

Аэробно минерализованный ил не загнивает на воз­духе, так как все доступное окислению уже перерабо­тано в условиях интенсивного снабжения кислородом воздуха, легко отдает влагу, не обладает неприятными запахами. Такой ил после подсушки и дополнительного обеззараживания может быть передан для использова­ния в сельском хозяйстве.

В процессе аэробной минерализации получается иловая вода с большой мутностью, большим содержанием нитрат – ионов, низкой рН.

Процессы сушки и обезвоживания осадков. В зависимости от схемы и состава сооружений очист­ной станции на обезвоживание и сушку могут быть по­даны осадок из первичных отстойников и активный ил - раздельно или в смеси, сырыми или сброженными. Все указанные разновидности осадков резко отличаются друг от друга по качеству—содержанию воды, химическому составу, физическим свойствам.

В процессе обезвоживания и сушки удаление влаги происходит в результате последовательного разрушения связей воды с твердой фазой с последующим механиче­ским разделением двух фаз — твердой и жидкой. Всю содержащуюся в осадках влагу подразделяют (по классификации П. А. Ребиндера) на следующие категории в зависимости от форм и энергии связей двух фаз: избыточная, осмотическая, вода макропор (удельное сопротивление > 10-5 см), иммобилизованная (захваченная) структурой, вода микропор (удельное сопротивление < 10-5 см), адсорбционная.

При уплотнении в обычных уплотнителях (под дейст­вием сил гравитации) из осадков может быть удалена только избыточная влага. Количество избыточной влаги, например, в активном иле, составляет до 3% и удаление этой влаги соответствует изменению влажности от 99, 5 до 96, 5%. Путем вакуум-фильтрования кроме избыточ­ной удаляется осмотическая вода и вода макропор. Пос­ле вакуум-фильтрования осадки, имеют влажность от 75 до 85%, и, следовательно, в осадках находится воды ос­мотической и воды макропор примерно от 10 до 20%. Центрифугированием с помощью мощных центрифуг с большим числом оборотов можно удалить дополнитель­ную воду, иммобилизованную структурой. Воды этого вида в осадках немного (около 1—2%). Термической сушкой в условиях высоких температур может быть уда­влена практически вся остальная влага.

Количественное соотношение воды различных форм связи в осадках разных видов неодинаково, а потому и неодинаков тот результат, который достигается применением одного и того же способа обработки для разных осадков.

Термографическое исследование образцов пока еще не вышло из стадии научного эксперимента, но именно этот метод наиболее перспективен для характеристики гидродинамических и физико-химических свойств осад­ков, что необходимо для дальнейшего развития теории процессов обезвоживания и сушки.

В настоящее время в качестве одной из основных ха­рактеристик способности осадков отдавать влагу прини­мают удельное сопротивление фильтрования. Эта вели­чина представляет собой гидродинамическое сопротив­ление, которое оказывает потоку фильтрата равномерный слой осадка с массой, равной единице, на площади филь­тра, также равной единице. Величина эта измеряется в см/г. Фильтрование в этом случае должно проходить под вакуумом строго заданной величины.

Чем выше удельное сопротивление, тем труднее осадки отдают влагу и тем хуже обезвоживаются как в есте­ственных условиях, так и в различных аппаратах.

Фильтруемость осадков можно улучшить путем про­мывки очищенной водой, реагентной и тепловой обработ­ки или промораживания.

Сушка в естественных условиях применяется для осадков всех видов и может быть осуществлена на иловых площадках с естественным основанием, на площадках с поверхностным отводом воды и на площадках-уплотнителях.

Первый вариант площадок принимается при хорошо фильтрующих грунтах и при глубоком залегании грун­товой воды. Профильтрованная через слой почвы иловая вода попадает в поток грунтовых вод. Отфильтровывает­ся вода избыточная, а если осадок подвергался промораживанию или длительному воздействию солнечных лучей, то удаляется некоторая часть более прочно связанной воды. Основная же часть влаги на таких площадках удаляется из осадка путем испарения.

Осадки, высушенные в естественных условиях, могут иметь влажность 70—80%. Продолжительность сушки зависит от вида обрабатываемого осадка, гидрогеологических и климатических условий, выполнения эксплуата­ционных требований и т. п. и колеблется от 1 года до 5 лет.

Обезвоживание на вакуум-фильтрах включает кроме основной операции ряд предварительных: промывку осадков очищенной водой (для сброженных осадков), уплотнение в отстойниках, смешение с реагентами. После интенсивного перемешивания, в результате чего из осад­ка в воду переходят растворенные и коллоидные вещест­ва, а также мелкие взвешенные вещества, смесь промывной воды с осадком подается в уплотнитель. Отмытый осадок после уплотнения в течение 12—18 ч перекачивается в систему сооружений по очистке сточ­ной воды.

На Курьяновской станции аэрации (Москва) осадок подсушивают предварительно на вакуум-фильтрах, а затем сушат термическим способом. Подобный метод сушки осадков получил большое распространение за рубежом.

Обезвоживание осадков на центрифугах применяется на станциях малой и средней пропускной способности.

Использование флокулянтов в процессе центрифугирования обеспечивает высокую степень изъятия сухих веществ из обезвоживаемых осадков (Гумен, 2001).

Термическая сушка осадков. Впервые идея о возможности применения тепловой обработки для органических осадков сточных вод была высказана еще в начале ХХ в. шведским инженером Нильсом Теструпом. Спустя много лет в 1934-1935 гг. английский инженер Уильям Портеус разработал технологию тепловой обработки осадков и получил на это первые в мире патенты.

В нашей стране исследования по тепловой обработке были начаты в конце 60-х годов на кафедре канализации МИСИ им. В.В. Куйбышева под руководством проф. С.В. Яковлева.

Наиболее освоенной в эксплуатации является сушилка барабанного типа, од­нако в перспективе, по-видимому, большее распростране­ние будут иметь сушилки фонтанирующего типа (со встречными струями, взвешенным слоем осадка и т. п.).

Сушилки фонтанирующего типа часто работают с так называемым «ретуром» — использованием части уже высушенного осадка, который подмешивают к осадку, поступающему на сушку. Этот прием используют для уменьшения начальной влажности смеси и придания ей свойства сыпучести (Гюнтер, 2000).

Сооружения для обеззараживания, компостирования и сжигания осадка. Осадок надлежит подвергать обеззараживанию в жидком виде или после подсушки на ило­вых площадках, или после механического обезвоживания. Обеззараживание и дегельминтизацию сырых, мезофильно сброженных и аэробно стабилизированных осадков следует осуществлять путем их прогревания до 60°С с выдерживанием не менее 20 мин при расчетной температуре.

Химическое обеззараживание осадков проводится известью, аммиаком, тиозоном, формальдегидом или мочевиной.

Для обеззараживания обезвоженных осадков допускается применять биотермическую обработку (компостирование) в полевых условиях.

Компостирование осадков следует осуществлять в смеси с наполнителями (твердыми бытовыми отходами, торфом, опилками, листвой, соломой, молотой корой) или готовым компостом.

Процесс компостирования следует осу­ществлять на асфальтобетонных или бетонных площадках с использованием средств механизации в штабелях высотой от 2, 5 до 3 м при естественной и до 5 м при принудительной аэрации.

В процессе компостирования необходимо преду­сматривать перемешивание смеси. Для термической сушки осадков следует применять сушилки различных типов.

При обосновании допускается сжигание осадка, не подлежащего дальнейшей утилизации, в печах различных типов. Перед сжиганием необходимо стремиться к максимальному снижения влажности осадков путем их механического обезвоживания.

Сооружения для хранения и складирования осадка. Для хранения механически обезвоженного осадка, надлежит предусматривать открытые пло­щадки с твердым покрытием.

Для хранения термически высушенного осадка с учетом климатических условий следует применять аналогичные площадки, при обосновании — закры­тые склады.

Для неутилизируемых осадков должны быть предусмотрены сооружения, обеспечивающие их складирование в условиях, предотвращающих загрязнение окружающей среды (Яковлев, 1972).


Поделиться с друзьями:

mylektsii.su - Мои Лекции - 2015-2024 год. (0.054 сек.)Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав Пожаловаться на материал