2.2 Методы очистки сточных вод

Очистка сточных вод – обработка сточных вод с целью разрушения или удаления из них вредных веществ. 

Методы очистки сточных вод можно разделить на механические, химические, физико-химические и биологические. Применение того или иного метода в каждом конкретном случае определяется характером загрязнения и степенью вредности примесей.

Сущность механического метода состоит в том, что из сточных вод путем отстаивания и фильтрации удаляются механические примеси. Грубодисперсные частицы в зависимости от размеров улавливаются решетками, ситами, песколовками, фильтрами различных конструкций, а поверхностные загрязнения – нефтеловушками, отстойниками и др. Механическая очистка позволяет выделять из бытовых сточных вод до 60–75 % нерастворимых примесей, а из промышленных до 95 %, многие из которых как ценные примеси, используются в производстве.

В схему механической очистки сточных вод входят следующие основные сооружения: решетки для задержания крупных загрязнений органического и минерального происхождения, песколовки для выделения тяжелых минеральных примесей (главным образом песка), усреднители расхода сточных вод и концентрации их загрязнений, отстойники для выделения нерастворимых примесей, фильтры для более полного осветления воды.

Решетки служат в основном для извлечения таких крупных отходов, как бумага, тряпье, крупный мусор, камни, обломки древесины и т. п., попадание которых в последующие очистные сооружения может вызвать засорение труб и ка­налов, а также нарушение нормальной работы отстойников или поломку движущихся частей оборудования (це­пей, колес и т. п.).

Песколовки предназначены для выделения из сточной во­ды песка и другие тяжелых минеральных примесей, ко­торые могут затруднить перекачку осадков и обработку их в предназначенных для этого сооружениях.

В отстойниках выделяются из воды наиболее тяжелые и, крупные частицы взвешенных веществ. Вместе со взвешенными веществами в осадок попадают вынесенный из песколовок песок, раздробленные отбросы, иные примеси уловленные решетками.

Комплекс сооружений механической очистки заканчивается фильтрами, назначение которых – доочистка сточных вод.

Химический метод заключается в том, что в сточные воды добавляют различные химические реагенты, которые вступают в реакцию с загрязнителями.

Основными методами химической очистки производст­венных сточных вод являются нейтрализация и окисле­ние.

Производственные сточные воды от технологических процессов многих отраслей промышленности содержат щелочи и кислоты. В большинстве кислых сточных вод содержатся соли тяжелых металлов, которые необходимо выделять из этих вод.

С целью предупреждения коррозии материалов очист­ных сооружений, нарушения биохимических процессов в биологических окислителях и водоемах, а также осаж­дения из сточных вод солей тяжелых металлов кислые и щелочные стоки подвергают нейтрализации.

Реакция нейтрализации – это химическая реакция между веществом, имеющим свойства кислоты, и вещест­вом, имеющим свойства основания, которая приводит к потере характерных свойств обоих соединений.

Окислительный метод очистки применяют для обез­вреживания производственных сточных вод, содержащих токсичные примеси (цианиды, комплексные цианиды ме­ди и цинка) или соединения, которые нецелесообразно извлекать из сточных вод, а также очищать другими ме­тодами. Окислительный метод был уже описан выше (см. п. 1.2.1).

При физико-химическом методе обработки из сточных вод удаляются тонкодисперсные и растворенные неорганические примеси и разрушаются органические и плохо окисляемые вещества, чаще всего из физико-химических методов применяется коагуляция, окисление, сорбция, экстракция и т.д.

Коагуляция – это слипание частиц коллоидной систе­мы при их столкновениях в процессе теплового движе­ния, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. В результате коагуляции обра­зуются агрегаты – более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления мелких (первичных). Коагу­ляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и уменьшением их общего числа в объеме дис­персионной среды (в нашем случае – жидкости). Коагуляционный метод очистки воды уже был описан выше (см. п. 2.1.2).

Флотация – процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела двух фаз, обычно газа (чаще воздуха) и жидкости, обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания.

Процесс очистки сточных вод, со­держащих ПАВ, нефть, нефтепродукты, масла, волокни­стые материалы, методом флотации заключается в обра­зовании комплексов «частицы – пузырьки», всплывании этих комплексов и удалении образовавшегося пенного слоя с поверхности обрабатываемой жидкости. Наиболее существенные принципиальные отличия спо­собов флотации связаны с насыщением жидкости пузырь­ками воздуха определенной крупности.

Сорбция – это процесс поглощения вещества из окру­жающей среды твердым телом или жидкостью. В качестве сорбентов применяют различные искусст­венные и природные пористые материалы: золу, коксо­вую мелочь, торф, силикагели, алюмогели, активные гли­ны, активиро­ванные угли различных марок и др.

Экстракционный метод очистки производственных сточных вод основан на рас­пределении загрязняющего вещества в смеси двух взаимонерастворимых жидкостей соответственно его раст­воримости в них. При достижении равновесия концентрация экстрагируемого вещества в экстрагенте значительно выше, чем в сточной воде. Сконцентрированное в экстрагенте веще­ство отделяется от растворителя и может быть утилизи­ровано. Экстрагент после этого используется в техноло­гическом процессе очистки.

Ионный обмен – процесс обмена между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности твердой фазы – ионита. Процессы ионообменной очистки сточных вод осуще­ствляются в аппаратах периодического (фильтрах) или непрерывного действия.

Электродиализ – процесс сепарации ионов солей, осу­ществляемый в мембранном аппарате под действием по­стоянного электрического тока, применяемый для опрес­нения высокоминерализованных сточных вод.

Наиболее подробнее физико-химические методы очистки будут описаны ниже (п. 3).

Среди методов очистки сточных вод большую роль играет биологический метод, основанный на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения рек и других водоемов. Есть несколько типов биологических устройств по очистке сточных вод: биофильтры, биологические пруды и аэротенки.

В биофильтрах сточные воды пропускаются через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой. Благодаря этой пленке интенсивно протекают процессы биологического окисления. Именно она служит действующим началом в биофильтрах.

В биологических прудах в очистке сточных вод принимают участие все организмы, населяющие водоем.

Аэротенки – резервуары из железобетона. Здесь очищающее начало – активный ил из бактерий и микроскопических животных. Все эти живые существа бурно развиваются в аэротенках, чему способствуют органические вещества сточных вод и избыток кислорода, поступающего в сооружение потоком подаваемого воздуха. Бактерии склеиваются в хлопья и выделяют ферменты, минерализующие органические загрязнения. Ил с хлопьями быстро оседает, отделяясь от очищенной воды. Инфузории, жгутиковые, амебы, коловратки и другие мельчайшие животные, пожирая бактерии, неслипающиеся в хлопья, омолаживают бактериальную массу ила.

Сточные воды перед биологической очисткой подвергают механической, а после нее для удаления болезнетворных бактерий и химической очистке, хлорированию жидким хлором или хлорной известью. Для дезинфекции используют также другие физико-химические приемы (ультразвук, озонирование и др.)

Биологический метод дает большие результаты при очистке коммунально-бытовых стоков. Он применяется также и при очистке отходов предприятий нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, производстве искусственного волокна.

В большинстве случаев производственные сточные во­ды промышленных предприятий могут быть использова­ны после очистки для технического водоснабжения или орошения и реже допускается спуск их в водоем после биологической очистки. Однако при спуске сточных вод в водоемы, имеющие большое народнохозяйственное и особенно рыбохозяйст­венное значение, требования к качеству очищенной воды повышаются.

Содержащиеся в биологически очищенных производ­ственных сточных водах или их смеси с бытовыми вода­ми суспензированные частицы активного ила, остаточные органические загрязнения, ПАВ, биогенные элементы (фосфор и азот) и бактери­альные загрязнения оказывают вредное влияние на во­доемы, вызывают их эвтрофикацию и создают трудности при повторном использовании воды. Поэтому необходима более глубокая очистка (доочистка) биологически очи­щенных производственных сточных вод, предусматривающая следующие цели:

• уменьшение количества взвешенных веществ, удале­ние запаха, цветности, токсичных компонентов (включая тяжелые металлы) из очищенных сточных вод;

• снижение БПК, ХПК, содержания ПАВ, фосфора и азота;

• обеззараживание сточных вод;

• насыщение очищенных сточных вод кислородом при спуске их в водоемы рыбохозяйственного значения.

В результате глубокой очистки достигается возмож­ность:

• повторного использования очищенных сточных вод для орошения, не питьевых коммунальных целей, в тех­нологических производственных процессах вплоть до со­здания цехов и предприятий с полностью замкнутой си­стемой водного хозяйства, что позволит сэкономить зна­чительные количества свежей речной воды;

• полной очистки сточных вод с удалением всех вред­ных веществ для подпитки водоемов, используемых для отдыха, спорта, рыболовства, питьевого снабжения; для пополнения запасов подземных вод.

Эвтрофикация – рост биологической растительности водоемов, который происходит вследствие нарушения баланса питательных веществ. При этом повышается температура воды, появляются привкусы и запахи, ухудшается цвет воды, чрезмерно развиваются водоросли, преобладают нежелательные виды планктона и нарушаете жизнедеятельность рыб. К ускорению эвтрофикации приводят загрязнения биогенными элементами, которые по­падают в водоемы со сточными и дождевыми стоками с сельскохозяйственных полей, из донных отложений и т.д. Установлено, что массовое развитие водорослей в первую очередь происходит при наличии С, N и Р. По­скольку СО₂ поглощается водой из воздуха (причем этот процесс усиливается при высоких pH, характерных для воды в цветущих водоемах), ограничить концентрацию углерода в воде сравнительно трудно. Наиболее целесо­образно бороться с эвтрофикацией путем сведения к ми­нимуму концентрации азота и фосфора в сточных водах, сбрасываемых в водоем.

Глубокая очистка сточных вод может исключить по­падание N и Р в водоемы, поскольку снижение N и Р составляет при механической очистке 8–10%, при био­химической 35–50% и при доочистке 98–99 %. Кроме того, разработан ряд мероприятий, позволяющих бороть­ся с процессом эвтрофикации непосредственно в водо­емах, например искусственное увеличение содержания кислорода с помощью аэрационных установок. Для сни­жения роста водорослей в водоемах используют различ­ные гербициды. Существенным для водоемов является снижение концентрации нитратов, представляющих опасность для здоровья человека. Всемирной организацией здравоох­ранения предельно допустимая концентрация нитратов в питьевой воде принята равной 45 мг/дм³ или в пересчете на азот 10 мг/дм³, такая же величина принята по санитар­ным нормам для воды водоемов.

Для удаления азота, находящегося в сточных водах в виде свободного аммиака, солей аммония и нитратов, используется биологический метод, метод отдувки аммиака и др.

Метод отдувки аммиака основан на подавлении дис­социации гидроксида аммония в сильнощелочной среде с образованием газообразного аммиака, который можно отдуть воздухом при многократном разбрызгивании сточной воды. Эффективность этого метода составляет около 90 %.

Биологический метод очистки сточных вод от соединений азота основан на процессах нитрификации и денитрификации. Процесс нитрификации представляет собой совокупность реакций биологического окисления аммонийного азота до нитритов и далее до нитратов. В ходе денитрификация происходит окисление органических веществ при восстановлении азота нитратов до свободного азота.

Для денитрифицирующих бактерий характерной особенностью является возможность использовать источники энергии или в присутствии кислорода или без него с восстановлением нитратов и образованием азота (N₂).

Биологический метод удаления аммонийного азота из сточных вод является наиболее приемлемым в современных условиях.

Для удаления фосфора, большая часть которого находится в растворенном состоянии, используют метод симультанного осаждения. Данный метод заключается в химико-биологическом процессе очистки сточных вод с введением реагента солей железа или алюминия на ступени биологической очистки. Удаление фосфора происходит в результате образования нерастворимых его соединений и микробиальной ассимиляции с последующим осаждением нерастворимых соединений и удаления их вместе с избыточным илом. Эффективность удаления фосфора этим методом составляет около 85 %.

Для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических загрязнений находят при­менение биологические пруды, обычно располагаемые на водонепроницаемых или слабофильтрующих грунтах и размещаемые во всех климатических районах.

Глубокая очистка сточных вод в прудах происходит за счет дополнительного продолжительного отстаивания, а также биологических процессов (в теплое время года).

Содержание растворен­ного кислорода в очищенных сточных водах, сбрасывае­мых в рыбохозяйственные водоемы, должно быть не ме­нее 6 мг/дм³. Содержание кислорода в сточных водах пос­ле очистки обычно составляет 0,5–1 мг/дм³ и лишь при очень благоприятных условиях достигает 3–4 мг/дм³. Сле­довательно, для выполнения требований рыбохозяйствен­ных и санитарных органов в ряде случаев необходимо дополнительное насыщение кислородом очищенных сточных вод, т.е. аэрировать сточные воды перед выпуском.

Применение каскадной системы аэрации для насы­щения очищенных сточных вод кислородом при наличии подходящего рельефа местности имеет практическое зна­чение. Одним из вариантов каскадных систем могут быть водосливы с гидравлическим прыжком.

Для насыщения сточных вод кислородом могут быть запроектированы водосливы-аэраторы с водосливными отверстиями в виде тонкой зубчатой стенки с зубчатым щитом над ней (зубья стенки и щита обращены друг к другу остриями).

Задача очистки сточных вод определяется характером их дальнейшего использования в народном хозяйстве. Но в любом случае необходимо нейтрализовать воздействие органических веществ, предельно уменьшить количество взвешенных веществ и биогенных элементов, придать воде благоприятные органолептические свойства и обеспечить безопасность дочищенных сточных вод в эпидемиологическом отношении.