Глава 14 глубокая очистка и обеззараживание сточных вод

14Л. Теоретические основы методов глубокой очистки и обеззараживания сточных вод

Существующие очистные сооружения в основном не обеспечивают нормативные требования к сбросу очищенных сточных вод, поэтому требу­ется их доочистка. Чаще всего полная биологическая очистка дополняется сооружениями фильтрации очищенных сточных вод, глубокой биологиче­ской очисткой от биогенных элементов в биологических окислителях и биопрудах, физико-химическими методами доочистки или комбинацией этих методов. В особых случаях необходимая степень глубокой очистки достигается только при использовании сорбции на активированном угле.

Все эти мероприятия направлены на получение минимальных до­пустимых концентраций органических соединений, азота, фосфора и дру­гих специфических компонентов (например, нефтепродуктов, СПАВ, эфи-рорастворимых веществ, тяжёлых металлов и других компонентов).

Глубокая очистка сточных вод необходима перед использованием их в системах повторного и оборотного водоснабжения промышленных предприятий, в сельском хозяйстве. В зависимости от требуемой степени глубокой очистки капитальные вложения на строительство сооружений глубокой очистки увеличивают общие затраты на 30-100% и требуют при­влечения дополнительных материалов: реагентов, ионообменных смол, ак­тивированного угля.

Глубина доочистки сточных вод, используемых в замкнутых сис­темах водоснабжения предприятий, зависит от технологических требова­ний к её качественным показателям и в некоторых случаях эти требования могут быть менее жесткие, чем к качеству очищенной воды перед сбросом в водоемы.

Рассматриваемые методы глубокой очистки сточных вод можно разделить на:

• глубокую очистку сточных вод от органических загрязнений и взвешенных веществ;

• глубокую очистку сточных вод от биогенных элементов;

• глубокую очистку сточных вод от отдельных компонентов;

• удаление из очищенных сточных вод бактериальных загрязнений (дезинфекция или обеззараживание сточных вод);

• насыщение сточных вод кислородом.

Сооружения доочистки сточных вод от взвешенных веществ и органических загрязнений. Наиболее распространенными методами глу­бокой очистки биологически очищенных сточных вод являются процежи­вание и фильтрование.

ttttttt

П роцеживание сточных вод. Для глубокой очистки сточных вод от взвешенных веществ широкое распространение получил метод проце­живания сточных вод на микрофильтрах (рис. 14.1).

Принцип работы микрофильтров заключается в следующем. Сточ­ная вода из подводящего канала по впускной трубе поступает внутрь бара­бана микрофильтра, фильтруется через сетчатые стенки и поступает в ре­зервуар, в котором расположен барабан фильтра. Затем из резервуара через водослив изливается в отводящий канал фильтрата. Хлопья активного ила, водоросли и другие плавающие загрязнения задерживаются на сетке с раз­мерами отверстий 35 мкм. При вращении барабана сетка с прилипшими к ней загрязнениями поступает в зону действия промывных труб, промывает­ся и вновь погружается в воду.

Фильтрация сточных вод. При фильтровании биологически очищенной сточной жидкости происходит снижение содержания взвешен­ных веществ путем изъятия частиц активного ила и накопления их в фильт­рующей загрузке. Этот процесс близок к тем процессам, которые характер­ны для фильтров систем водоснабжения.

Теоретические закономерности ггроцесса фильтрования малоконцен­трированных суспензий рассматривались многими авторами. Наибольшее при­знание и применение получила теория, разработанная проф. Д.М. Минцем, рассматривающая очистку воды при фильтровании как результат двух одно­временно протекающих процессов: адсорбции частиц взвеси к поверхности зерен фильтрующего материала и ранее адсорбированным загрязнениям, и их отрыва под действием гидродинамического давления потока жидкости.

В результате действия этих двух факторов происходит продвиже­ние фронта загрязнений в глубь фильтрующего слоя. Накопление загрязне­ний в толще фильтра приводит к уменьшению размера пор, увеличению истинной скорости фильтрации и росту гидравлического сопротивления

фильтрующей среды. Вместе с тем увеличение истинной скорости фильт­рации приводит к повышению сил гидродинамического давления потока во­ды на скопления загрязнений, их отрыву и переносу в последующие по хо­ду движения воды слои загрузки. По мере заиливания фильтрующего слоя наступает момент, когда вследствие разрушения осадка в толще загрузки и выноса вторичных частиц происходит ухудшение качества фильтрата.

Необходимый напор на применяемых в практике самотечных филь­трах характеризуется сравнительно небольшими величинами (порядка 3 м), определяемыми высотной схемой расположения фильтровальных сооруже­ний. Поэтому наряду со временем защитного действия загрузки t₃ необходи­мо учитывать также время работы фильтра до достижения предельной по­тери напора /„. Оптимальными считаются условия, при которых t₃ = t_H. То есть основным уравнением теории фильтрации является равнове-сие сил, действующих при движении воды через зернистую загрузку фильтров:

impg = wr (14.1)

где i - гидравлический уклон; т - межзерновая пористость загрузки, %; р - плотность воды, г/м³; g - ускорение силы тяжести, м/сек²; w - удельная поверхность зерен фильтрующего материала, м²/м³; т - касательные напря­жения на поверхности зерен, кПа/м² .

В зависимости от способа подачи сточной воды на фильтрацию раз­личают: фильтры с нисходящим потоком жидкости; фильтры с восходящим потоком жидкости.

На рис. 14.2 приведены схемы фильтрации очищенных сточных вод.

I II

При ухудшении качества фильтрата или достижении предельной потери напора фильтр следует промыть; промывка подразделяется на те­кущую и профилактическую. В зависимости от применяемого сорбционно-го материала в фильтрах промывка может быть водной или водовоздушной и зависит от концентрации взвешенных веществ в промывной воде и грязе-ёмкости загрузки.

Глубокая очистка сточных вод от биогенных элементов. Тради­ционная биологическая очистка позволяет изъять основную массу органически загрязняющих веществ, но не может обеспечить достаточную, по требованиям настоящего времени, глубину удаления соединений азота и фосфора, а также органических веществ. В процессе очистки происходит трансформация и час­тичное (до 20-40%) изъятие аммонийного азота и фосфора. При этом в ходе очистки протекают процессы аммонификации и последующей нитрификации азота, а также гидролиз соединений фосфора.

Соединения азота и фосфора, находящиеся в сточных водах, получи­ли название биогенных элементов.

Проблема удаления азот- и фосфорсодержащих соединений возникла в связи с ухудшением качества воды рек и водохранилищ, вызванного эвтро-фикацией, которая обуславливается наличием избыточного количества пита­тельных элементов в поверхностных слоях воды. Это, в свою очередь, вызыва­ет усиленный рост водорослей и макрофитов. Водная растительность мешает прохождению света вглубь водоема, потребляет растворенный кислород и приводит к созданию условий, несовместимых с жизнью теплокровных орга­низмов и, таким образом, к исчезновению фауны водоемов.

Среди методов очистки сточных вод от соединений азота известны следующие: биологические, физико-химические, электрохимические, мето­ды отдувки, ионного обмена.

Глубокая очистка от отдельных компонентов. К наиболее эф­фективным методам глубокой очистки сточных вод от отдельных компо­нентов относится адсорбция, позволяющая добиться их снижения до норм ПДК с одновременной утилизацией или деструкцией извлеченных веществ.

Достоинствами метода являются возможность удаления токсичных и биохимически неразрушаемых веществ, отсутствие вторичного загрязне­ния воды, надежность в условиях колебания расхода и состава сточных вод, независимость от климатических факторов, компактное аппаратурное оформление, возможность полной автоматизации процесса.

Отсутствие вторичного загрязнения сточной воды при адсорбции сближает ее с такими методами, как фильтрование или гиперфильтрование. Для глубокой очистки от токсичных веществ использование этих методов предпочтительней, чем химическая очистка, так как в результате химиче­ских преобразований в сточной воде могут образовываться более токсич­ные продукты неполной реакции, по сравнению с начальными загрязне­ниями. Адсорбционный метод также применяется для очистки производст­венных сточных вод, особенно в случаях резких колебаний состава и рас­хода сточных вод, при наличии токсичных веществ и отсутствии земельных площадей для размещения сооружений биологической очистки.

Кроме того, этим методом можно достичь такой глубины очистки, которая невозможна при использовании биологических и ряда химических или физико-химических методов. Адсорбция - это изменение (обычно по­вышение) концентрации вещества вблизи поверхности раздела фаз (погло­щение на поверхности).

Молекулы загрязнений сточных вод образуют соединения, которые имеют значительно большую энергию поглощения, чем гидроксильные группы. В этом случае основное значение имеет величина работающих пор, а не химический состав сорбента. Поэтому становится возможным исполь­зование природных и искусственных крупнопористых сорбентов для очи­стки сточных вод от углеводородов, находящихся в эммульгированном ви­де, от высокомолекулярных веществ и т.д.

В качестве сорбентов применяют различные пористые материалы: активные угли, силикагели, алюмогели, активные глины и земли. Сорбенты характеризуются пористостью, структурой пор и химическим составом.

Наибольшее распространение в глубокой очистке сточных вод от различных трудноизвлекаемых примесей (особенно органического проис­хождения) получили углеродные сорбенты (активированные угли), ионоак-тивные смолы и клиноптилолиты - естественные неорганические цеолито-вые материалы.

Удаление из очищенных сточных вод бактериальных загрязнений (дезинфекция или обеззараживание сточных вод). Обез­зараживание очищенных сточных вод производится с целью уничтоже­ния оставшихся в них патогенных бактерий и устранения опасности зара­жения водоема. При биологической очистке сточных вод на искусственных сооружениях (на биофильтрах или аэротенках) общее содержание бактерий уменьшается на 95%, при очистке на полях орошения - на 99%. Однако полностью уничтожить болезнетворные бактерии можно только обеззара­живанием сточных вод различными дополнительными способами.

Способы обеззараживания сточных вод можно разделить на четыре основные группы: термические; химические с помощью сильных окислите­лей; олигодинамические (воздействие ионов благородных металлов); физи­ческие (с помощью ультразвука, радиоактивного излучения, ультрафиоле­товых лучей).

Широко применяется в качестве окислителя хлор, однако сущест­вуют и друг ие окислители: диоксид хлора; озон; марганцевокислый калий; пероксид водорода; гипохлорит натрия и кальция.

В практике могут использоваться хлор-газ С1₂; диоксид хлора С10₂; гипохлорит натрия NaCIO и гипохлорит кальция Са(С10)₂. Хлорная из­весть в настоящее время применяется незначительно и только для обезза­раживания малых количеств сточных вод.

При растворении в воде хлор образует быстро распадающуюся хлорноватистую кислоту.

С1_г+Н₂0 ^ НОС1+НС1.

В процессе распада хлорноватистая кислота диссоциирует на ионы HOCl Н⁺+ОС1, выделяющийся далее при распаде ОСЬ атомарный ки­слород оказывает наибольший бактерицидный эффект.

Перечисленные окислители могут вызывать инактивацию кишеч­ных вирусов в результате денатурирования их белковой оболочки. По бак­терицидному действию свободные формы хлора примерно в 50 - 100 раз превосходят его связанные формы. Бактерицидный эффект обеспечивается оставшимся после необходимого времени контакта свободным хлором.

В последние годы из-за токсичности хлора и образующихся в про­цессе реакции его со сточной водой хлорорганических соединений (диок­сины и др.) применение хлора ограничивается, поэтому в ряде случаев применяются комбинированные методы обеззараживания воды, включаю­щие в различных сочетаниях перечисленные выше методы с учетом мест­ных условий конкретного водоисточника.