Федеральное агентство морского и речного транспорта

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Волжская государственная академия водного транспорта

Кафедра теории корабля и экология судоходства

С.В. Васькин

Процессы и аппараты очистки

сточных вод

Учебное пособие

Нижний Новгород

Издательство ФГОУ ВПО «ВГАВТ»

2006

УДК 628.33.002.5

В 19

Васькин, С.В.

Процессы и аппараты очистки сточных вод: учебное пособие / С.В. Васькин. – Н. Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2006. – 256 с.

Учебное пособие предназначено для изучения студентами специальности 280200 «Инженерная защита окружающей среды», а также других специальностей, в которых рассматриваются вопросы водоподготовки и очистки сточных вод. Содержание пособия соответствует учебной программе, составленной с учетом требований Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования.

В издании обобщены и систематизированы методики расчета и проектирования различных сооружений и аппаратов, предназначенных для очистки бытовых и промышленных стоков.

Материалы, изложенные в пособии, будут полезны студентам при изучении курса «Процессы и аппараты защиты окружающей среды», при выполнении курсовых и дипломных работ. Пособие может быть использовано инженерно-техническими работниками природоохранных служб промышленных предприятий и проектно-конструкторских бюро.

Рецензент к.х.н. В.Н. Плотникова

Рекомендовано на заседании кафедры теории корабля и экология судоходства, протокол № 4 от 27.12.2005 г.

© ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2006

Введение

Проблемы предотвращения негативного антропогенного воздействия на окружающую среду, в том числе проблемы защиты водоемов от загрязнения сточными водами, с каждым годом становятся все актуальнее. В решении этих проблем наряду с созданием природоохранной нормативно-правовой базы, совершенствованием технологических процессов и производственного оборудования важная роль отводится разработке и внедрению систем очистки сточных вод.

Основными источниками загрязнения водоемов являются городское коммунальное хозяйство и промышленные предприятия. Предотвращение загрязнения водных объектов бытовыми стоками возможно только с использованием городских очистных сооружений. Очистка производственных сточных вод позволяет создавать системы замкнутого оборотного водоснабжения, исключающие или значительно сокращающие образование стоков и сброс их в водоем. Кроме того, обработка производственных сточных вод на локальных (заводских) очистных сооружениях с последующей сдачей их в сеть городской канализации способствует уменьшению нагрузки на городские очистные сооружения и улучшению условий их работы.

Издание предназначено для изучения студентами, обучающимися по специальности «Инженерная защита окружающей среды», а также другим специальностям, рассматривающим вопросы водоподготовки и очистки сточных вод. Выбор и разработка высокоэффективных методов очистки стоков являются сложной инженерной задачей, которую приходится решать инженерам-экологам, работающим на предприятиях, проектных и научно-исследовательских институтах. Материалы настоящего издания могут быть использованы учащимися для самостоятельного ознакомления с различными методами очистки сточных вод, при выполнении курсовых и дипломных работ.

Большое разнообразие сточных вод по количеству и составу исключает возможность подробного освещения в одной книге всех способов очистки и конструкций соответствующих аппаратов и сооружений. Поэтому в настоящем издании кратко изложены теоретические основы методов, наиболее часто применяемых на практике, рассмотрены конструкции аппаратов, технические требования к ним и основы расчетов. Приложения содержат большое количество справочного материала, включающего характеристики типового водоочистного оборудования, используемых материалов и реагентов.

Из-за ограниченного объема издания в нем не смогли быть освещены вопросы, связанные с обработкой осадков, образующихся при очистке сточных вод и общие вопросы проектирования очистных сооружений. Эти вопросы планируется рассмотреть в отдельном издании.

1. Расчетные расходы и состав сточных вод

Сточными называют воды, использованными на бытовые, производственные или другие нужды и загрязненные при этом дополнительными примесями, изменившими их первоначальный состав и физические свойства, а также воды, стекающие с территории населенных пунктов и промышленных предприятий в результате выпадения осадков и мытья улиц.

В зависимости от происхождения, вида и качественной характеристики примесей сточные воды подразделяют на три основные категории: бытовые (хозяйственно-фекальные), производственные (промышленные) и атмосферные.

К бытовым относятся воды кухонь, туалетных комнат, душевых, бань, прачечных, столовых, больниц, а также хозяйственные воды, образующиеся при мойке помещений. Они поступают как от жилых и общественных зданий, так и от бытовых помещений промышленных предприятий.

К производственным сточным водам относятся воды, использованные в технологических процессах и не отвечающие более требованиям, которые предъявлялись к ним первоначально. Сюда относятся также воды, откачиваемые на поверхность при добыче полезных ископаемых (руды, угля, нефти и т. д.).

Атмосферные воды образуются в результате выпадения осадков. Их подразделяют на дождевые и талые, получающиеся от таяния льда и снега. Воды от мытья и поливки улиц близки по качественной характеристике загрязняющих примесей к дождевым водам и удаляются вместе с ними.

Первоначальной задачей при проектировании и реконструкции очистных сооружений является правильной определение расчетных расходов сточных вод. Расчетным называют максимальный расход, пропуск которого должны обеспечить очистные сооружения за расчетный период. При проектировании находят средние и максимальные суточные, часовые и секундные расходы.

Для определения расчетного количества бытовых сточных вод должна быть известна норма отведения этих вод. Среднесуточная (за год) норма водоотведения принимается равной удельному среднесуточному (за год) водопотреблению согласно [2] без учета расхода воды на полив территорий и зеленых насаждений (см. табл. 1.1).

При этом среднесуточные, среднечасовые и среднесекундные расходы определяют по формулам (1.1)÷(1.3) соответственно:

,	(1.1)
,	(1.2)
,	(1.3)

где q – норма водоотведения на одного жителя, л/(чел.· сут.);

N_p – расчетное число жителей, чел.

Таблица 1.1

Нормы водоотведения бытовых сточных вод населенных мест

Степень благоустройства районов жилой застройки	Водоотведение на одного жителя, л/сутки
Застройка зданиями, оборудованными внутренним водопроводом и канализацией, без ванн	125÷160
Застройка зданиями, оборудованными внутренним водопроводом и канализацией и ванными с местными водонагревателями	160÷230
Застройка зданиями, оборудованными внутренним водопроводом, канализацией и системой централизованного горячего водоснабжения	250÷350

При проектировании канализации городов и промышленных предприятий требуется знать не только нормы и общее количество сточных вод, но и режим их отведения, т. е. изменение расходов стоков по часам суток, а также значения максимальных расходов, определяемых на основании коэффициентов суточной и часовой неравномерности водоотведения.

Нормы учитывают средний суточный расход сточных вод. Однако фактический суточный расход может быть как больше среднесуточного (в сутки наибольшего водоотведения), так и меньше. Отношение максимального суточного расхода к среднесуточному называется коэффициентом суточной неравномерности водоотведения k_сут. Для населенных пунктов величина k_сут = 1.1÷1.3 в зависимости от местных и климатических условий. С учетом коэффициента суточной неравномерности максимальный суточный расход составит:

.

(1.4)

Кроме того, количество образующихся сточных вод неодинаково в различные часы одних и тех же суток. Отношение максимального часового расхода среднему часовому называется коэффициентом часовой неравномерности k_ч. При расчетах водоочистного оборудования удобнее использовать общий коэффициент неравномерности k_общ, представляющий собой отношение максимального часового расхода в сутки наибольшего водоотведения к среднему часовому расходу среднесуточного водоотведения. Этот коэффициент получают перемножением коэффициентов суточной и часовой неравномерности:

.

(1.5)

Расчетные максимальные расходы сточных вод определяются как произведения средних часовых и секундных расходов вод на общий коэффициент неравномерности, приведенные в табл. 1.2.

.	(1.6)
.	(1.7)

Таблица 1.2

Средний расход сточных вод, л/с	5	10	20	50	100	300	500	1000	5000 и более
Общий коэффициент неравномерности притока сточных вод	2.5	2.1	1.9	1.7	1.6	1.55	1.5	1.47	1.44
Примечания: 1. Общие коэффициенты неравномерности притока сточных вод, приведенные в таблице, допускается принимать при количестве производственных сточных вод, не превышающем 45 % общего расхода. При количестве производственных сточных вод свыше 45 % общие коэффициенты неравномерности следует определять с учетом неравномерности отведения бытовых и производственных сточных вод по часам суток согласно данным фактического притока сточных вод и эксплуатации аналогичных объектов. 2. При промежуточных значениях среднего расхода сточных вод общие коэффициенты неравномерности следует определять интерполяцией.

Количество содержащихся в бытовых сточных водах загрязняющих веществ по ряду показателей может быть найдено расчетным путем. В соответствии с [1] от каждого жителя в систему канализации в сутки поступает определенное количество загрязнений. Вид и количество загрязнений указаны в табл. 1.3.

Таблица 1.3

Показатель	Количество загрязняющих веществ на одного жителя, г/сут.
Взвешенные вещества	65
БПКполн неосветленной жидкости	75
БПКполн осветленной жидкости	40
Азот аммонийных солей NH4-	8
Фосфаты P2O5, в том числе от моющих веществ	3.3
	1.6
Поверхностно-активные вещества (ПАВ)	9

Зная величину водоотведения q, л/(чел.· сут.), и количество загрязняющих веществ g_i, г/(чел.· сут.), приходящихся на одного человека, можно рассчитать концентрацию каждого из загрязнений С_i, мг/л, указанных в табл. 1.3:

.

(1.8)

На промышленных предприятиях вода, как правило, используется для вспомогательных целей (для охлаждения, нагревания, получения пара и т. д.) и лишь в некоторых технологических процессах входит в состав продукции в небольших количествах. Кроме того, вода используется для транспортировки и поглощения органических и неорганических примесей, в качестве растворителя реагентов, в качестве среды для проведения физико-химических реакций, для промывки промежуточной и готовой продукции и пр.

Количество производственных сточных вод зависит от назначения и мощности предприятия и определяется по технологическим расчетам в соответствии с регламентом производства на основании баланса водопотребления и водоотведения в совокупности различных технологических процессов.

Приближенно количество промышленных сточных вод может быть определено по укрупненным нормам водопотребления и водоотведения для различных отраслей промышленности. Их следует применять при проектировании или реконструкции систем канализации промышленных предприятий. В укрупненную норму водопотребления входят расходы воды предприятием на производственные и хозяйственно-питьевые нужды. Норма водоотведения включает количество выпускаемых в водоем сточных вод – очищенных производственных и бытовых. Укрупненные нормы выражаются в м³ воды на единицу готовой продукции или используемого сырья. Нормы водоотведения в различных отраслях промышленности колеблются в широких пределах. Так, например, при добыче 1 т нефти образуется 0.4 м³ сточных вод, при добыче 1 т угля в шахтах – 0.3 м³, при выплавке 1 т чугуна или стали – 0.1 м³, при производстве 1 т вискозного волокна – 233 м³, 1 т удобрений – 3.9 м³, 1 т бумаги – 37 м³, 1 т цемента – 0.1 м³, при изготовлении 1 автомобиля – 15.5 м³, 1 автобуса – 80 м³, 1 магистрального тепловоза – 710 м³ и т. д.

С учетом норм водоотведения расчетные суточные и часовые расходы производственных сточных вод могут быть найдены по выражениям:

,	(1.9)
,	(1.10)

где q^’ – норма водоотведения на единицу продукции или перерабатываемого сырья с учетом водооборота, м³;

М и М_{макс.см} – число единиц продукции или перерабатываемого сырья при максимальной выработке соответственно в сутки и смену;

Т – число рабочих часов производства в смену;

k_ч – коэффициент часовой неравномерности.

Коэффициент неравномерности общего стока зависят от вида производства и типа технологического оборудования. Например, для предприятий металлургической промышленности он равен 1÷1.1, химической – 1.3÷1.5, пищевой – 1.5÷2, целлюлозно-бумажной – 1.3÷1.8 и т. д. [3].

Расчетные суточные и часовые расходы бытовых сточных вод на предприятии определяются по смене с максимальным числом работающих людей, с учетом числа рабочих часов в смене. Суточный расход, м³/сут.:

,

(1.11)

часовой расход, м³/ч:

,

(1.12)

где 25 и 45 – нормы водоотведения на одного человека в холодных (с тепловыделением не более 84 кДж на 1 м³/ч) и горячих (остальные) цехах, л/чел. в смену;

п₁ и п₂ – численность работающих в сутки в цехах при нормах водоотведения 25 и 45 л на 1 человека;

п₃ и п₄ – максимальная численность работающих в смену при тех же нормах водоотведения;

k₁ и k₂ – коэффициенты часовой неравномерности, соответствующие тем же нормам водоотведения и равные 3 и 2.5.

В приведенных нормах не учитывается расход воды на душевые сетки, который составляет 500 л/ч на 1 душевую сетку при коэффициенте неравномерности равном 1. При этом продолжительность пользования душем принимается равной 45 мин. Количество людей на 1 душевую сетку зависит от санитарной категории производства и составляет:

– для мартеновских, прокатных, термических, кузнечных, литейных, огнеупорных, нефтехимических, вискозных, хлорных, фенольных цехов – 3 человека;

– для пищевых, фармацевтических, металлообрабатывающих, хлопчатобумажных, красильных, стекольных, моечных цехов – 5 человек;

– для прядильных, ткацких, текстильных, сушильных цехов – 7 человек;

– для механосборочных, инструментальных, деревообрабатывающих – 15 человек.

Расчетный расход сточных вод от душевых сеток за смену определяется по формуле:

,

(1.13)

максимальный секундный расход, л/с:

,

(1.14)

где п_Д – количество душевых сеток.

Спектр загрязнений, присутствующих в сточных водах предприятий различных отраслей промышленности чрезвычайно широк и рассмотрение его в рамках настоящего издания не представляется целесообразным. Производственные сточные воды по составу загрязнений можно разделить на три группы:

1) загрязненные преимущественно минеральными примесями (предприятия металлургической, машиностроительной, рудо- и угледобывающей промышленности, заводы по производству минеральных удобрений, строительных изделий и материалов и др.);

2) загрязненные преимущественно органическими примесями (предприятия пищевой, целлюлозно-бумажной, микробиологической промышленности, заводы по производству пластмасс, каучуков и др.);

3) загрязненные минеральными и органическими примесями (предприятия нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, легкой, фармацевтической, текстильной промышленности, заводы по производству сахара, консервов, бумаги, продукции органического синтеза, витаминов и др.).

Качественный состав промышленных стоков можно найти в литературе, посвященной охране окружающей среды и очистке сточных вод на предприятиях той или иной отрасли.

Для городов европейской части России расходы дождевых стоков один раз в году могут достигать 100÷150 л/с с 1 га, а один раз в 10 лет – 200÷300 л/с с 1 га. Вместе с тем, суммарный за весь сезон дождевой сток не превышает 1500÷2000 м³/га. Максимальный же расход бытовых сточных вод с 1 га жилой застройки в зависимости от плотности населения колеблется от 0.5 до 2.0 л/с, а в год составляет 10000÷25000 м³. Таким образом, в средних условиях европейской территории дождевых вод стекает в 7÷15 раз меньше, чем бытовых, но максимальные секундные расходы дождевых вод в 50÷150 раз больше, чем расходы бытовых вод [4]. Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании общесплавной канализации и соответствующих очистных сооружений. Методика расчета количества дождевых вод подробно описана в [1].

Дождевые воды при выпадении насыщаются растворенными газами, пылью, аэрозолями, а при стекании смывают с поверхности мусор, нефтепродукты и другие загрязнения. Атмосферные воды, стекающие с территории промышленных предприятий, часто загрязнены специфическими для данного производства примесями. Такие воды следует подвергать очистке.