Очистка сточных вод
Характерная особенность городских сточных вод – их неравномерное поступление в водоотводящие системы, на насосные станции и очистные сооружения.
При расчетах диаметров сетевых трубопроводов, производительности насосных станций, размеров распределительных каналов и сооружений на очистных станциях используется общий коэффициент неравномерности.
Состав и свойства стоков
Сточные воды представляют собой сложные системы, в которых органические и минеральные загрязнения находятся в растворенном, коллоидном, нерастворенном состояниях.
Органические и неорганические компоненты загрязнений, находящиеся в сточных водах в коллоидном и нерастворенном состояниях, могут образовывать грубо- и тонкодисперсные суспензии, эмульсии и пену.
Состав городских сточных вод и концентрация в них загрязнений определяются, в основном, нормами водопотребления, а также составом производственных сточных вод.
Наблюдаются значительные изменения загрязнений сточных вод по сезонам года, дням недели, часам суток. Это связано с бытовой и производственной деятельностью жителей населенного пункта.
Установлено, что загрязнения, вносимые в сточные воды от бытовой деятельности населения, в среднем сравнительно постоянны, поэтому их можно нормировать.
Степень загрязнения сточной воды органическими веществами можно определить по количеству кислорода, которое необходимо для окисления органических веществ с помощью аэробных микроорганизмов – минерализаторов.
Количеству кислорода, которое необходимо для окисления органических веществ с помощью аэробных микроорганизмов называется биохимической потребностью в кислороде (БПК). БПК выражается количеством кислорода в миллиграммах на 1 л (мг/л) или в граммах на 1 м3 (г/м3). Биохимическую потребность в кислороде сточной жидкости определяют лабораторным путем.
Для более полной оценки содержания органического вещества в сточной воде определяют химическое потребление кислорода.
Химической потребностью в кислороде (ХПК) является количество кислорода, требуемое для химического окисления органических веществ сточной воды до конечных минеральных продуктов окисления.
Нормируют следующие количества основных загрязнений бытовых сточных вод на одного жителя, г/сут:
взвешенные вещества 65
БПКПОЛН неосветленной жидкости 75
ХПК 120
азот аммонийные соли 8
фосфаты (Р205) 3,3
в том числе от моющих веществ 1,6
хлориды (Сl) 9
поверхностно-активные вещества (ПАВ) 2,5
Количество и состав производственных сточных вод определяются многими факторами:
отраслью промышленного производства и видами исходного сырья;
режимом технологических процессов;
возможностью утилизации отходов производства;
удельным расходом (нормой) воды на единицу продукции.
Производственные сточные воды содержат минеральные и органические загрязнения в самых различных сочетаниях.
В связи с тем, что в промышленно развитых городах количество производственных сточных вод составляет 30–35 % общего количества городских сточных вод, общие городские очистные сооружения рассчитывают, в основном, на загрязнение веществами бытового происхождения.
В связи с тем, что определение абсолютного состава сточных вод трудоемко, обычно пользуются сокращенным перечнем показателей, достаточно полно характеризующих их качество и используемых для проектирования и расчета сооружений канализации. К таким показателям относятся: температура, окраска, запах, прозрачность, величина рН, сухой и плотный остатки, содержание взвешенных веществ, оседающих веществ, биохимическая потребность в кислороде (БПК), химическая потребность в кислороде (XIIК), содержание различных форм азота, фосфатов, хлоридов, сульфатов, токсичных элементов, синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ), концентрация растворенного кислорода, биологические загрязнения и др.
Первые пять показателей относятся к органолептическим показателям вредности, причем два из них (температура и реакция среды) помимо органолептических воздействий оказывают значительное влияние на состояние водоотводящих и очистных сооружений. Так, температура воды влияет на процессы осаждения взвешенных веществ и определяет скорость биологических процессов в технологии очистки воды, а изменение реакции среды ниже 6,5 или выше 8,5 может привести к разрушению водоотводящих сооружений и к нарушению нормальной жизнедеятельности микроорганизмов, осуществляющих процессы очистки воды.
Количество сухого и плотного остатка в воде дает представление об общем количестве загрязнений: в первом случае в натуральной пробе, а во втором – в фильтровальной. Прокаливание сухого и плотного остатков и определение потерь массы после прокаливания позволяют получить примерное соотношение минеральной и органической частей загрязнений.
Содержание взвешенных веществ – один из главных показателей качества сточных вод, по которому рассчитывают сооружения для отстаивания и определяют количество образующихся осадков. Концентрация взвешенных веществ в городских сточных водах обычно составляет 100–500 мг/л.
Оседающие вещества являются частью взвешенных веществ, которая оседает в потоке на дно отстойного цилиндра за 2 ч отстаивания. В городских сточных водах оседающие вещества составляют 65–75 % взвешенных веществ по весу.
БПК представляет собой кислородный эквивалент степени загрязненности сточной воды органическими веществами, который будет различным для одной и той же воды в зависимости от длительности его определения. Поэтому величину БПК всегда указывают с индексом внизу, который означает длительность определения.
Например, БПК5 – количество кислорода, потребляемое микроорганизмами за пять суток определения, а если указана БПКполн, то это значит, что дана величина кислорода, необходимая на сумму всех биологических реакций окисления органических веществ сточной воды. БПКполн городских сточных вод, как правило, не бывает более 500 мг 02/л.
Таким образом, ХПК сточных вод должна быть обязательно выше БПКполн, так как не все органические вещества окисляются биологически (микроорганизмами) и не обязательно до конечных, простых продуктов окисления. Рекомендуется, чтобы ХПК городских сточных вод, поступающих на очистные сооружения, не должна более чем в 1,5 раза превышать БПКПОЛH, т.е. превышать 750 мг 02/л.
По величине ХПК, или, точнее, по разности между значениями ХПК и БПКПОЛН можно судить о соотношении между бытовыми и производственными сточными водами в их смеси.
Чем выше эта разность, тем больше количество производственных сточных вод, так как в последних, как правило, содержатся трудно окисляемые или биологически неокисляемые органические вещества.
Необходимо также определять содержание азотных форм и фосфора в сточных водах, так как они являются основными биогенными элементами питания микроорганизмов, обеспечивающих биологическую очистку сточных вод.
Содержание биогенных элементов должно быть не менее 5 мг/л азота N и 1 мг/л фосфора Р на каждые 100 мг/л БПКПОЛН.
В городских сточных водах до их очистки присутствуют только две формы азота – общий и аммонийный. Окисленные формы азота (нитраты и нитриты) могут появляться только после очистки в биоокислителях – аэротенках и биофильтрах. Концентрация аммонийного азота в сточной воде является одним из дополнительных показателей ее загрязненности хозяйственно-бытовыми загрязнениями.
Чем меньше аммонийного азота в сточной воде, тем она чище.
Однако реакция окисления азота аммонийных солей до нитратов требует кислорода примерно в два раза больше, чем реакции окисления органических веществ, поэтому на практике очистка сточных вод обычно ограничивается только стадией окисления органических веществ, которая называется полной биологической очисткой.
Содержание сульфатов и хлоридов в сточных водах определяют в качестве основных показателей минеральных загрязнений. В городских сточных водах концентрация сульфатов составляет 100–150 мг/л, а концентрация хлоридов 150–250 мг/л.
В процессе очистки сточных вод на городских очистных сооружениях сульфаты и хлориды не задерживаются, никаких изменений не претерпевают и в указанных концентрациях не оказывают влияния на физико-химические и биологические процессы обработки воды и осадков.
К группе токсичных относятся: железо, никель, медь, свинец, цинк, хром (особенно шестивалентный), мышьяк, сурьма, алюминий и т.д.
Одним из основных показателей качества сточных вод является количество растворенного кислорода:
для нормальной жизнедеятельности открытых водоемов его количество не должно быть меньше 4 мг/л,
для нормального функционирования сооружений – не меньше 2 мг/л биоокислителей.
В загрязненных сточных водах растворенный кислород, как правило, отсутствует.
Биологические загрязнения в сточных водах представлены бактериями, вирусами, грибами, мелкими водорослями, гельминтами.
Поэтому сточные воды опасны в эпидемиологическом отношении.
При анализе сточных вод на биологические загрязнения определяют
общий счет бактерий,
число бактерий кишечной группы,
число яиц гельминтов.
В городских сточных водах общий счет бактерий составляет несколько сотен тысяч в 1 мл, число бактерий кишечной группы – несколько десятков тысяч в 1 мл, а число яиц гельминтов находится в пределах десяти в 1 л.
Общепринятой для городских сточных вод является методика отбора среднесуточных проб – отбор часовых проб пропорционально часовым расходам сточных вод.
Методы очистки сточных вод
Методы очистки сточных вод, общая технологическая схема, состав сооружений определяются в зависимости от требуемой степени очистки, количества сточных вод, климатических и других местных условий.
Следует учитывать возможность использования очищенных сточных вод для промышленных или сельскохозяйственных нужд.
Методы очистки сточных вод:
механический;
физико-химический;
биохимический.
В результате механической очистки из сточных вод удаляются загрязнения, находящиеся в ней, главным образом, в нерастворенном и, частично, коллоидном состоянии.
Для механической очистки используют следующие сооружения: решетки, песколовки, отстойники, жироловки, нефтеловушки, маслоотделители, гидроциклоны, центрифуги, фильтры и другие сооружения.
Решетки служат для улавливания крупных загрязнений (тряпья, бумаги и др.), песколовки – для улавливания нерастворенных минеральных примесей (песка, шлака, боя стекла и др.), отстойники – для очистки сточных вод от взвешенных веществ.
К физико-химическим методам относятся:
коагулирование;
нейтрализация;
экстракция;
сорбция;
электролиз и др.
При коагулировании в сточные воды вводят реагент, способствующий укрупнению частиц (коагуляции), вследствие чего увеличивается количество задержанных нерастворенных веществ. Такой вид очистки применяют для ускорения осаждения взвешенных веществ.
Биохимические методы очистки основаны на жизнедеятельности микроорганизмов, способствующих окислению и минерализации органических веществ, которые находятся в сточных водах в растворенном виде, в виде тонких суспензий или коллоидов.
Биохимическая очистка сточных вод осуществляется двумя методами:
в условиях, близких к естественным (поля орошения и поля фильтрации);
в искусственно созданных условиях (биофильтры, аэротенки и т.д.).
Очистка сточных вод в естественных условиях происходит довольно медленно, значительно интенсивнее она осуществляется на биологических фильтрах и аэротенках.
Дезинфекция (обеззараживание) сточных вод производится
хлором, хлорной известью, или гипохлоритом натрия,
озоном,
ультрафиолетовым излучением (УФ).
Обработка осадка, образующегося в процессе очистки сточных вод, заключается в предварительной стабилизации с последующим обезвоживанием в естественных (иловые площадки) или искусственных условиях (сооружения механического обезвоживания).
При необходимости обезвоженные осадки могут подвергаться сушке или сжиганию.
Очистку сточных вод проводят последовательно на ряде сооружений; механическая очистка, как правило, предшествует биологической. Вначале сточные воды очищают от нерастворенных, а затем уже от растворенных органических загрязнений.
На рис.6.8. показана распространенная схема совместной очистки бытовых и производственных сточных вод.
|
Рис. 6.8. Схема механической и биологической (на аэротенках) очистки сточных вод: 1 – газгольдер; 2 – дробилки; 3 – решетки; 4 – песколовки; 5 – преаэраторы; 6 – первичные отстойники; 7 – аэротенки; 8 – вторичные отстойники; 9 – контактный канал; 10 – хлораторная; 11 – иловая насосная станция; 12 – сооружения промывки и уплотнения сброженного осадка; 13 – метантенки; 14 – воздуходувки; 15 – котельная; Г – газ; П – пар или горячая вода; В – воздух; ОП – осадок на песковые площадки; ОТ – отбросы; И – ил; ИВ – иловая вода; X – хлор
|
При механической очистке сточная жидкость проходит через решетки, песколовки для улавливания песка и поступает на первичные отстойники для отстаивания. Уловленные загрязнения могут вывозиться на мусороперерабатывающие предприятия или после дробления возвращаться в поток очищаемой жидкости.
На рис. 6.9. приведены схемы биологической очистки на аэротенках. В этих сооружениях происходит аэрация воды с добавлением активного ила.
|
Рис. 6.9. Технологические схемы работы аэротенков: (а – аэротенки с дифференциальной подачей воздуха; б – аэротенк-смеситель с рассредоточенной подачей сточной воды и активного ила; в – аэротенк-смеситель с дифференцированной подачей сточной воды; г – аэротенки с регенераторами активного ила) 1 – водоподающий канал; 2 – первичный отстойник; 3 – аэротенки; 4 – вторичные отстойники; 5 – трубопровод избыточного ила; 6 – трубопровод очищенной воды; 7 – регенераторы
|
Активный ил – это скопление микроорганизмов, способных сорбировать на своей поверхности органические загрязнения и окислять их в присутствии кислорода воздуха. Ил непрерывно циркулирует в системе – отделяется во вторичных отстойниках и возвращается в очищаемую воду перед аэротенками. Жизнедеятельность микроорганизмов сопровождается постоянным их приростом. Образующийся при этом избыточный активный ил уплотняется в илоуплотнителях и направляется на сбраживание в метантенки вместе с осадком из первичных отстойников. Осадок обезвоживают на иловых площадках или на вакуум-фильтрах, а затем сушат в термических печах.
Механическая очистка. Сооружения механической очистки
Механическая очистка сточных вод производится в
решетках,
песколовках,
первичных отстойниках.
Решетки, как правило, играют роль защитных сооружений и служат, в основном, для извлечения крупных отходов производства, попадание которых в последующие очистные сооружения может вызвать засорение труб и каналов, а также нарушение нормальной работы или поломку движущихся частей оборудования.
Решетки подразделяются на неподвижные, подвижные, совмещенные с дробилками (коминуторы). Очистку решеток от задержанных загрязнений можно производить вручную (граблями), механическим способом с помощью специальных приспособлений. Решетка простейшего типа из металлических стержней показана на рис. 6.10.
Рис. 6.10. Схема решетки:
1 – подводящий лоток; 2 – решетка; 3 – настил; 4 – отводящий лоток
Решетки-дробилки (РД) задерживают и дробят отбросы в потоке воды, в результате чего отпадают процессы транспортирования их к дробилке и улучшаются санитарные условия. Ширина прозоров в решетках должна быть не более 16 мм.
После решеток сточная вода на очистной станции попадает в песколовки, предназначенные для задержания минеральных примесей, содержащихся в сточной воде, что способствует улучшению работы последующих очистных сооружений и облегчает их эксплуатацию.
Наряду с минеральными примесями в песколовках отстаиваются вещества органического происхождения, гидравлическая крупность которых близка к гидравлической крупности песка. Количественное соотношение между задержанными минеральными и органическими веществами зависит от вида сточных вод и гидравлический условий, а также от условий эксплуатации песколовок. При очистке бытовых сточных вод песколовки задерживают частицы гидравлической крупностью 13,2 –18,7 мм/с. Количество органических веществ в задержанной массе составляет 15–20 % в зависимости от типа принятых решеток.
По характеру движения воды различают песколовки
горизонтальные,
вертикальные,
с вращательным движением воды (рис. 6.11).
Горизонтальные песколовки представляют собой железобетонные резервуары с прямоугольным или трапецеидальным поперечным сечением, в которых вода движется с небольшой скоростью. Выпадение песка в осадок происходит под действием силы тяжести. Для накопления осадка в песколовках предусматривается бункер, располагаемый в начале сооружения.
В вертикальных песколовках сточная вода движется вверх, а частицы песка – вниз. Вертикальные песколовки работают значительно хуже горизонтальных и в последнее время почти не применяются.
Песколовки с вращательным движением воды (в зависимости от способа создания вращательного движения) разделяют на тангенциальные, аэрируемые.
Рис. 6.11. Основные схемы песколовок:
(а – вертикальная; б – горизонтальная с круговым движением воды;
в – тангенциальная; г – аэрируемая)
1 – подача сточной воды; 2 – отвод воды; 3 – удаление пульпы;
4 – воздуховод; 5 – воздухораспределитель; 6 – сборник всплывающих веществ;
7 – отвод всплывающих веществ
Тангенциальные песколовки в плане имеют круглую форму. Вода в них подводится по касательной к цилиндрической части сооружения, что вызывает вращательное движение песка, способствует отмывке от песка органических веществ и предотвращает их выпадение в осадок.
Аэрируемые песколовки представляют собой удлиненные, прямоугольные в плане резервуары трапецеидального сечения. Вращательное движение сточной воды обеспечивается аэрированием через перфорированные трубы или фильтросные пластины. Осадок из аэрируемых песколовок почти свободен от органических загрязнений.
Из песколовок осадок вывозится для обезвоживания на песковые площадки, в специальные бункеры.
Для задержания нерастворимых органических загрязнений применяют отстойники. Отстойники, устанавливаемые перед сооружениями биологической очистки, называются первичными, а после них – вторичными.
Отстойники подразделяются на
радиальные,
вертикальные,
горизонтальные.
Радиальные отстойники являются разновидностью горизонтальных; в настоящее время они получают все более широкое распространение. Радиальные отстойники устраивают с выпуском воды снизу или сверху по центральной трубе, очищаемая вода поступает в кольцевой лоток (рис. 6.12).
Рис. 6.12. Радиальный отстойник:
1 – водоподводящая труба; 2 – илоскреб; 3 – водоотводящая труба;
4 – ферма илоскреба; 5 – лоток
В отечественной практике обычно применяют отстойники диаметром 16–50 м и значительно реже – большего диаметра. Дну отстойников придается уклон 0,001–0,02.
Выпавший осадок перемещается к центрально расположенному приямку скребками, закрепленными на вращающей ферме. Вещества, выделенные из воды в виде осадка, представляют собой сильно обводненную массу.
Из приемника осадок удаляется под действием гидростатического давления (из отстойников небольшого диаметра) или с помощью насосов (плунжерных, грязевых и т.п.). Легко подвижные осадки (например, активный ил вторичных отстойников) можно удалять непосредственно из отстойной зоны с помощью илососов.
Плавающие на поверхности вещества (жиры, масла и т.п.) удаляются с помощью различных устройств (лопасти, водосливы, перфорированные трубы), закрепленных на скребковых фермах на уровне зеркала воды в отстойнике, или через жиросборники.
Вертикальные отстойники имеют в плане круглую или квадратную форму (рис. 6.13). Типовые отстойники круглой формы имеют диаметр 5–10 м, размер отстойников квадратной формы – до 14x14 м. Для сбора осадка в квадратных отстойниках устраивают четыре пирамидальных приямка. Наклон стенок приямков квадратных отстойников и конической части круглых отстойников принимают 45–60 град. с учетом угла сползания накапливающегося осадка.
Рис. 6.13. Вертикальные отстойники (круглый):
1 – иловая труба; 2 – отражательный щит; 3 – центральная труба;
4 – отводящий лоток; 5 – подающий лоток
Несомненное преимущество вертикальных отстойников – простота удаления из них осадков под действием гидростатического давления. Недостатком является большая глубина отстойников, затрудняющая их строительство в плотных грунтах и при высоком уровне стояния грунтовых вод.
Расчетная продолжительность отстаивания бытовых сточных вод и смеси их с производственными стоками в отстойниках всех типов принимается равной 1–2 ч, скорость потока – не более 0,7 мм/с, а во вторичных отстойниках – не более 0,5 мм/с.
Эффективность работы отстойников зависит от водораспределительных устройств. Входное устройство должно обеспечить быстрое затухание скорости потока и равномерное распределение его по сечению отстойника, выходное устройство – скорость выхода осветленной воды, при которой не происходит взмучивания осадка.
В последнее время в практике строительства очистных сооружений нашли применение тонкослойные (полочные) отстойники (рис. 6.14). Такие сооружения можно рекомендовать для осветления слабоконцентрированных производственных сточных вод, содержащих тонкодиспергированные нерастворимые примеси, преимущественно небольшой плотности.
Биохимические методы очистки. Сооружения биохимической очистки
Для биохимической (биологической) очистки сточных вод применяют
биологические фильтры (биофильтры),
аэротенки,
окситенки.
В биофильтрах в качестве фильтрующего материала используют шлак, щебень, керамзит, пластмассу, гравий и т.п.
Рис. 6.14. Полочный отстойник:
(I – зона пескоулавливания; II – зона отстаивания)
1 – водоподающая труба; 2 – щелевая поворотная груба для сбора
нефтепродуктов; 3 – пропорциональный водораспределитель; 4 – скребки;
5 – водоотводящая труба; 6 – приямок для осадка; 7 – гидроэлеватор
При выборе загрузки предпочтение следует отдавать материалам с развитой поверхностью (шлак, керамзит, кольца и решетки из пластмассы).
По способу поступления воздуха в загрузку биофильтры бывают с естественной, с принудительной подачей воздуха (рис. 6.15).
Биофильтры с естественной подачей воздуха рекомендуются для сооружений производительностью до 1000 м3/сут.
Для очистки сильно концентрированных производственных вод и вод, обуславливающих большой прирост биопленки, биофильтры с естественной подачей воздуха применять нецелесообразно, так как они быстро заиливаются.
Очищаемая сточная вода подается на биофильтры непрерывно или периодически с продолжительностью цикла 5–10 мин. При увеличении промежутка времени между двумя орошениями процесс биологической очистки ухудшается, так как биопленка не получает вовремя необходимого питания.
Равномерность подачи воды по поверхности биофильтра обеспечивается подвижными оросителями.
Менее равномерное орошение получается при использовании неподвижных оросителей (спринклеры, качающиеся желоба). При неравномерном распределении орошения ухудшается степень очистки сточных вод.
Процесс биологической очистки сточных вод устанавливается после того, как в загрузочном материале биофильтра образуется биологическая пленка, микроорганизмы которой адаптировались к органическим веществам очищаемых сточных вод. Период адаптации может длиться две – четыре недели в зависимости от вида загрязнения и температуры сточных вод, а для некоторых производственных сточных вод – несколько месяцев.
Рис. 6.15. Биофильтры с естественной (а) и принудительной (б)