5.3. Основные методы переработки (очистки) сточных вод
Вопросам очистки сточных вод посвящено громадное количество статей, обзоров и монографий, только одно перечисление которых может составить солидную по объему книгу. Однако при создании замкнутых водооборотных систем, как уже отмечалось, очистка сточных вод является важным, но далеко не решающим фактором. Главное - многократное использование воды без очистки или с частичной очисткой в зависимости от требований к качеству воды для различных технологических операций. При локальной очистке всегда стремятся извлечь и переработать в полезные продукты вещества, загрязняющие сточные воды.
5.4. Классификация методов
Все существующие методы переработки (очистки, регенерации) промышленных и сельскохозяйственных сточных вод можно разделить на три большие группы:
методы, основанные на выделении примесей без изменения последних, например отстаивание или фильтрация - физические или механические методы;
методы, основанные на превращении примесей в другие формы или состояния, физико-химические. Эта самая большая группа включает такие методы, как коагуляция, флотация, кристаллизация, образование малорастворимых соединений, окисление или восстановление; сюда же относятся мембранные процессы, ионный обмен, экстракция и т.д.
биохимические методы (аэробные и анаэробные).
В большинстве случаев используется комплекс этих методов. Широко применяемая биохимическая очистка обеспечивает 90%-ную степень очистки от органических веществ и 20-40%-ную от неорганических соединений, однако общее содержание солей в стоках при этом практически не снижается. Обессоливание сточных вод представляет особенно большую трудность. Согласно СанПин на питьевую воду, общее содержание солей в ней не должно превышать 1000 мг/л, содержание хлоридов регламентируется на уровне 350мг/л, а сульфатов на уровне 500 мг/л.
5.5. Очистка от взвешенных веществ (суспензий и эмульсий)
Для этих целей используются отстаивание (осветление), гидроциклонирование, процеживание и фильтрация. Для интенсификации процессов в сточные воды обычно добавляют коагулянты или флокулянты, иногда применяется магнитная обработка (для очистки сточных вод металлургических производств, содержащих ферромагнитные компоненты), в ряде случаев эффективна ультразвуковая обработка. Средняя эффективность этих методов колеблется в пределах 50-70%.
5.6. Очистка от органических веществ
Основным методом очистки сточных вод от органических примесей является биологическое окисление (аэробное, в присутствии свободного, растворённого кислорода и анаэробное, в отсутствие свободного кислорода, но за счёт связанного). Процесс биохимической очистки по своей сути – природный, его характер одинаков для процессов, протекающих как в водоёмах и очистных сооружениях, так и в сосудах для определения БПК. Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших и более высокоорганизованных организмов (таких, как водоросли и грибы), связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями. Это сообщество принято называть активным илом. Последний содержит от 106 до 1014 клеток на 1 г сухой биомассы (около 3000 мг микроорганизмов на литр сточной воды).
Аэробный процесс. Для жизнедеятельности живых организмов необходимо поддерживать соответствующие условия:
температура процесса 20-30 оС;
рН среды 6,5-7,5;
соотношение биогенных элементов БПКп : N : Р не более 100:5:1;
кислородный режим - не ниже 2 мгО2/л;
содержание токсичных веществ не выше: тетраэтилсвинца 0,001 мг/л, соединений бериллия, титана, шестивалентного хрома и оксида углерода 0,01 мг/л, соединений висмута, ванадия, кадмия и никеля 0,1мг/л, сульфата меди 0,2 мг/л, цианистого калия 2 мг/л и т.д.
Все органические соединения окисляются по-разному. Первичные спирты окисляются легче вторичных, а вторичные - легче третичных. Легко окисляются низшие органические кислоты с числом атомов углерода до 10. При большем их числе для окисления требуется определенная адаптация микроорганизмов. Скорость окисления тем ниже, чем длиннее углеродная цепь. Циклические углеводороды в целом окисляются труднее парафиновых. Практически не окисляются меламин, нитроформ, нитробензол, оксихинолин, пикриновая кислота, гексахлорбензол, гексахлорбутан, дихлорэтан, дихлорметан, тетрахлорбензол, циклогексан и др.
Биохимическая (аэробная) очистка, сточных вод проводится в специальных сооружениях: аэротенках, окситенках, биофильтрах, биологических прудах и т.д. На аэробную очистку направляются сточные воды с содержанием органических веществ (по БПК) до 5000 мгО2/л; конечная их концентрация - до 10 мгО2/л. Принципиальные схемы широко распространённых одно- и трехкоридорных аэротенков представлены на рис. 5.1 и 5.2.
Время пребывания сточных вод в аэротенке в смеси с активным илом колеблется от 6 до 10 ч. После отстаивания иловой смеси часть активного ила возвращается в аэротенк, а основная его часть поступает на переработку в метантенки или на иловые поля. Очищенная сточная вода направляется на доочистку или непосредственно в водоёмы. Способность активного ила к оседанию характеризуется иловым индексом, представляющим собой объем в мл, занимаемый 1 г ила в его естественном состоянии после 30-минутного отстаивания. Ил с индексом до 120 мл/г оседают хорошо, с индексом 120-150 мл/г - удовлетворительно, а при индексе выше 150 мг/л - плохо.
Рис. 5.1. Схема однокоридорного аэротенка
Рис. 5.2. Схема трёхкоридорного аэротенка
Общая схема очистки городских сточных вод представлена на рис.5.3.
Анаэробный процесс. В этом случае происходит биологическое окисление органических веществ в отсутствие свободного кислорода за счёт химически связанного в таких соединениях, как SO2-4, SO32- и CO32-. Процесс протекает в две основные стадии: на первой, образуются органические кислоты, на второй - образовавшиеся кислоты преобразуются в метан и диоксид углерода:
орган. соед. + О2 + кислотообраз. бактерии летучие кислоты + СН4 +СО2 + Н2 + новые клетки + другие продукты
летучая кислота + О2 + метанообраз. бактерии СН4 + СО2 + новые клетки
В метантенках перерабатываются активный ил и концентрированные сточные воды (обычно БПК > 5000), содержащие органические вещества, которые разрушаются анаэробными бактериями в ходе метанового брожения (в естественных условиях аналогичный процесс протекает на болотах).
Основные технологические параметры процесса:
температура в мезофильных условиях 25-37оС, термофильных - 50-60оС;
рН от 6,7 до 7,4 (повышение рН вызывает снижение скорости процесса брожения, а при рН выше 8 оно прекращается);
концентрация органических веществ (по БПК) обычно выше 5000 мгО2/л, однако при высокой концентрации микроорганизмов (1-3%) анаэробный процесс протекает и при более низком содержании органических веществ - вплоть до 1000 мгО2/л;
как и в аэробном процессе, необходимы питательные элементы: соединения азота и фосфора, но в двое меньших количествах;
микробы чувствительны к наличию некоторых соединений, особенно пероксидов и хлор- и серосодержащих производных, поэтому в ряде случаев их приходится предварительно удалять.
Анаэробный процесс весьма чувствителен к залповым сбросам, а восстановление микрофлоры может продолжаться от 1 до 6 месяцев, хотя в нормальных условиях микрофлора может храниться 12-18 месяцев и начать работать в течение нескольких дней.
Степень обезвреживания органических соединений в этом процессе в расчете на единицу микробной массы значительно ниже, чем в аэробном (примерно 25% от ее величины для аэробного процесса). Обычно это от 50 до 80%, что явно недостаточно, однако суммарно оба процесса (аэробный и анаэробный) обеспечивают степень очистки от органических веществ (по БПК) до 99%.
В анаэробном процессе по сравнению с аэробным образуется значительно меньше шлама - примерно 1/3-1/5 от его количества в случае аэробного процесса. Он значительно дешевле (нет аэраторов), но в связи с образованием метана взрыво- и пожароопасен.
Основная цель анаэробной обработки - уменьшение объёма активного ила или количества органических веществ в сточной воде, получение метана (до 0,35 м3 при нормальных условиях на 1кг ХПК) и, самое главное, получение хорошо фильтрующегося и без запаха осадка. Осадки после фильтрации могут быть использованы в качестве удобрения в растениеводстве при условии, что содержание тяжёлых металлов в них не превышает ПДКп. Получаемый в метантенках газ содержит до 75%(об.) метана (остальное – диоксид углерода и воздух) и используется в качестве горючего.
Очистка от нефтепродуктов. Как уже отмечалось, нефтепродукты являются одним из важнейших загрязнителем гидросферы и этому вопросу будет уделено значительное внимание в главе, посвящённой экологическим проблемам переработки нефти, раздел 11.3 (Загрязнение гидросферы).