2. Системи водоотведения й очищення стічних вод

Відходи життєдіяльності людини, вода, використана для побутових потреб і в технологічних процесах, а також дощові і води з міської території виділяються через систему водовідведення і подаються на загальноміські очисні споруди. При відсутності або перевантаженні міських очисних споруд у водні об'єкти вимушено скидаються неочищені або недостатньо очищені стічні води, що приводить до забруднення водного об'єкта на значній території. При обмеженій продуктивності міських очисних споруджень дощові і талі води частково або цілком скидаються у водні об'єкти без очищення, разом з ними може скидатися і частина загальноміських стічних вод.

2.1. Системи водовідведення. Система водовідведення, називаєма ще каналізаційною системою, включає наступні основні елементи: внутрішні водовідвідні системи в житлових будинках або виробничих приміщеннях; внутрішньоквартальні або внутрішньомайданчикові водовідвідні мережі; зовнішні (позаплощадкові) водовідвідні мережі; регулюючі резервуари; насосні станції і напірні трубопроводи; очисні споруди; випуски очищених стічних вод у водні об'єкти; аварійні випуски стічних вод у водні об'єкти. Водовідвідні системи підрозділяються на загальносплавні, роздільні і комбіновані. У свою чергу роздільні системи підрозділяються на повні роздільні, неповні роздільні і напівроздільні.

Загальносплавна система водовідведення має одну водовідвідну мережу, призначену для відводу скидаємих вод усіх категорій: господарсько-побутових, виробничих і дощових (рис 3). По довжині головного колектора загальносплавної системи можуть улаштовуватися ливневі випуски для безпосереднього скидання в ріку частини стоку, що пропускається по системі водовідведення. Це робиться з метою зменшення розмірів і кількості колекторів у кінцевій частині системи і відповідного її здешевлення.

Рис.3. Загальносплавна схема водоотведения:

РНС — районна насосна станція; ГНС — головна насосна станція; ОС — очисні споруди; ПП — промислове підприємство

1 — границя міста; 2 — зовнішня (зовнішня) водовідвідна мережа трубопроводів; 3 — ливневі випуски; 4 — дюкер; 5 — напірні трубопроводи; 6 — випуск очищених стічних вод; 7 — лінії вододілів

Ливневі випуски влаштовуються таким чином, щоб виключити можливість переповнення головного колектора під час сильного дощу. Конструкція і розміщення липневих випусків забезпечують включення їх у роботу, тобто скидання вод у ріку, не раніше, ніж через 30 хвилин після початку інтенсивної зливи. За цей час найбільш забруднена частина поверхневого стоку з міської території по загальносплавному колекторі надходить на міські очисні спорудження, а менш забруднена частина при наповненні головного колектора почне надходити безпосередньо в річку. Зрозуміло, що випуск неочищених стічних вод у річку зв'язаний з її можливим забрудненням. Тому розміри вихідних отворів липневих випусків і відповідно витрата неочищених вод, що скидаються через них, визначаються виходячи з асимілюючої здатності водотоку. Застосування загальносплавної системи водовідведення доцільно при наявності в місті повноводної ріки.

Повна роздільна система водовідведення має два або більше колектори, призначених для окремого відводу стічних вод визначеної категорії. 1)Господарсько-побутові стічні води відводять на загальміські очисні спорудження, де роблять їхнє очищення до рівнів, що задовольняють умовам скидання у водні об'єкти. 2)Очищення виробничих стічних вод здійснюють на спеціальних очисних спорудженнях даного промислового об'єкта або групи таких об'єктів. Після очищення виробничі стічні води можуть бути використані для технічного водопостачання, подані на загальміські очисні спорудження для доочищення або скинуті у водний об'єкт. Талі і дощові води по колекторі зливової каналізації подаються на очищення і надалі використовуються для технічного водопостачання або скидаються у водні об'єкти.

Неповна роздільна система водовідведення передбачає відвід господарсько-побутових і виробничих стічних вод по єдиному колекторі. Відвід дощових вод виробляється окремо по колекторах, лоткам або канавам. Як правило, неповна роздільна система використовується для невеликих об'єктів водоотведения і є першим етапом створення повної роздільної системи.

Напівроздільна система водовідведення передбачає відвід суміші господарсько-побутових і виробничих стічних вод по одному загальному колекторі, а дощових вод — по іншому. Дощові і виробничо-побутові колектори по трасі водоотведения перетинаються (рис. 4). У місці перетинання встановлюються розділові камери, за допомогою яких дощовий стік цілком або частково з дощового колектора попадає в головний. При порівняно малих витратах дощових вод вони цілком надходять у головний колектор. При великих витратах дощових вод у головний колектор надходить лише частина дощового стоку, що протікає по нижній частині дощового колектора. Це найбільш забруднена частина дощового стоку, що відводиться з прилягаючої території в початковий період дощу, коли відбувається змив основної маси забруднюючих речовин. Надходжуюча у наступний період менш забруднена частина дощового стоку через розподільну камеру відводиться у водний об'єкт без очищення. У суміші з дощовими водами частково скидаються і стічні води.

Рис.4. Напівроздільна система водоотведения:

1 — виробничо-побутова мережа; 2 — зливова мережа; 3 — промислове підприємство; 4 — розділові камери

2

Комбінована система водоотведения являє собою сукупність загальносплавної системи з повною роздільною. Така система формується в міру розвитку і реконструкції каналізаційної мережі міста. У старій частині міста може функціонувати загальсплавна система водоотведения, а в районах новобудов створюється повна роздільна система.

2.2. Загальміські очисні споруди

Вода, що надходить у міську систему водоотведения, звичайно являє собою суміш господарсько-побутових і виробничих стічних вод. По системі водовідведення ці води подаються на загальміські очисні спорудження. Якщо дозволяє продуктивність цих споруджень, сюди ж надходять частково або цілком дощові і талі води. Повний комплекс загальміських очисних споруджень включає блоки: механічного і біологічного очищення, доочищення, знезаражування, обробки осаду (рис. 5).

решітка

поступання стічних вод

пісколовка

піскові майданчики

на планування

н а горіння

преаератор

первинний відстійник

метантенк

на регенерацію

аеротенк

обезводнення збродженого осаду

або якщо без метатенків

вторинний відстійник

мулоущільнювач

мулові майданчики

н а добрива

знезараження

контактні резервуари

додаткове очищення

подача зжатого повітря

надлишковий активний мул

Механічне очищення забезпечує видалення зі стічних вод великих включень, зважених і домішок, що плавають. До складу блоку механічного очищення входять ґрати, іноді з дробилками, пісколовки, преаератори і первинні відстійники.

Ґрати призначені для уловлювання великих включень, що при необхідності подрібнюються в дробилках. На ґратах вилаляється практично повний витяг зі стічних вод великих включень, що очищаються. Видалені великі включення вивозяться на полігон побутових відходів.

У пісколовках, що представляють собою ємності визначених розмірів, завдяки різкому зменшенню швидкості плину рідини, що очищається, відбувається осадження зважених речовин. У песколовках видаляється зі стічної води приблизно 40—60% дрібних механічних домішок. З пісколовок осад подається на піскові майданчики. Після висихання він може бути використаний для планувальних робіт.

У преаераторах відбувається первинне насичення стічних вод киснем шляхом подачі стиснутого повітря, що істотно поліпшує процес біологічного очищення. У стічних водах, що надходять із систем водовідведення, розчинений кисень практично відсутній. Змішання вод, що очищаються, з повітрям сприяє відділенню нафтопродуктів і інших плаваючих домішок, що відбувається в первинних відстійниках, названих також нафтоловушками. Ступінь видалення домішок, що плавають, складає 60-80%. Нафтопродукти, що спливли, спеціальними шкребками збираються в бочки і направляються на регенерацію.

З первинних відстійників стічні води, що очищаються, надходять у блок біологічного очищення, де відбувається деструкція органічних сполук, що піддаються біохімічному окислюванню. Зі споруджень біологічного очищення найбільше поширення одержали аеротенки. Вони являють собою залізобетонні, рідше цегляні або металеві подовжені ємності, де відбувається контакт стічних вод, що очищаються, з активним мулом при одночасному насиченні їх киснем повітря. Активний мул являє собою спеціально культивовану сукупність мікроорганізмів, їжею для яких служать органічні речовини, що містяться в стічних водах. Нормальний вміст активного мулу в стічних водах, що очищаються, складає 2 г/л (по сухій речовині). Для інтенсифікації процесу деструкції органічних сполук в аеротенки постійно нагнітається стиснене повітря в співвідношенні 10:1 ( до обсягу рідини, що очищається). Аэротенки в блоці біологічного очищення розташовуються таким чином, щоб стічна вода, що очищається, проходячи через них послідовно один за другим, знаходилася в контакті з активним мулом протягом 18—20 годин. Температура води в аеротенках повинна бути не нижче +5° С и не вище 40° С. Ступінь деструкції в аеротенках органічних речовин, що піддаються біохімічному окислюванню, складає близько 90%.

Очищені в аэротенках стічні води надходять у вторинні відстійники, де відбувається осідання активного мулу, що потрапив сюди з аеротенков разом з водою. Мікроорганізми активного мулу при осіданні адсорбують своєю поверхнею дрібні суспензії, що залишилися в стічних водах після проходження песколовок і первинних відстійників, а також іони важких металів. Ступінь витягу металів за рахунок адсорбції мікроорганізмами коливається від 10 до 60%.

Після вторинних відстійників вважаються, що міські стічні води пройшли біологічне очищення і можуть бути скинуті в поверхневі водні об'єкти. Перед скиданням в обов'язковому порядку виробляється їхнє знезаражування шляхом обробки хлорною водою. Готування хлорної води здійснюється в хлораторній розчиненням активного хлору у воді. Після хлорування скидаєма вода повинна пройти дегазацію, тому що попадання активного хлору у водний об'єкт може привести до загибелі риби. Дегазація скидаємих вод відбувається в каналах і бистротоках по шляху проходження від місця хлорування до місця випуску у водний об'єкт. У деяких країнах замість хлорування застосовують озонування. І той, і інший способи знезаражування води мають свої переваги і недоліки. У нашій країні для знезаражування стічних вод застосовують в основному хлорування.

Якщо якість очищення стічних вод не задовольняє умовам їхнього скидання у водні об'єкти ( поповнення річок, спец використання) то в цих випадках організується їхнє доочищення. При поповненні стоку міських рік очищеними стічними водами доочищення повинне забезпечити додання їм властивостей і складу, властивим природним річковим водам. Для доочищення стічних вод використовують фільтри з зернистим завантаженням, установки пінної і напірної флотації, коагуляцію і флокуляцію, сорбцію, озонування, установки для витягу з води з'єднань фосфору й азоту. Для додання очищеним стічним водам якостей природної води їхнє доочищення проводиться в каскаді біологічних ставків або на біоинженерних спорудах типу біоплато (далі розглядатимемо).

У процесі біологічного очищення стічних вод утвориться велика кількість осаду, що являє собою відмерлий або надлишковий активний мул, що віддаляється з аеротенков і вторинних відстійників. Мул має вологість 97—98% і дуже погано віддає воду. З метою зневоднювання його спочатку обробляють у метантенках або аеробних стабілізаторах, потім піддають механічному зневоднюванню в гідроциклонах, центрифугах, вакуум-фільтрах або фільтр-пресах, після чого направляють на мулові площадки для остаточного висушування.

У метантенках, що представляють собою герметичні циліндричні резервуари, протягом декількох годин при температурі 33—53° С відбувається бродіння мулу. При обробці в метантенкі мул утрачає свою водоуутримуючу здатність, його вологість знижується до 92—94%. У процесі бродіння виділяється газ, головним чином метан, з теплотворною здатністю до 5000 ккал/м³. З 1 кг осаду (по сухій речовині) утвориться близько 1 м³ газу щільністю 1 кг/м³. Одержуваний газ використовується звичайно для нагріву під час біологічного очищення.

В аеробних стабілізаторах, що представляють собою звичайні аеротенки, активний мул піддається посиленій аерації протягом декількох діб. Витрата повітря при цьому складає до 2 м³/годину на 1 м³ місткості стабілізатора. Вологість мулу знижується на 2—3%, він значною мірою утрачає свою водоутримуючу здатність.

При механічному зневоднюванні вологість осаду може бути знижена до 65—70%, а обсяг його, у порівнянні із сирим осадом (вологістю 98%), зменшений у 15—20 разів.

Остаточне висушування осаду відбувається на мулових майданчиках. Майданчики являють собою вирівняні участки (карти) площею 0,25— 2 га, обваловані невисокими (0,7—1 м) дамбами. Тут у природних умовах протягом декількох місяців (до року) відбувається висушування і компостування (перегнивання) мулового осаду. Компостований муловий осад є гарним органічним добривом. Обмеження в його застосуванні можуть бути зв'язані з наднормативним вмістом з'єднань важких металів.

2.3 Очисні спорудження невеликих населених пунктів

Очищення порівняно невеликих витрат стічних вод може бути забезпечено на більш простих по конструкції спорудах, принцип дії яких також ґрунтується на процесах біохімічного розкладання органічних речовин сукупністю мікроорганізмів.

Найбільш простими очисними спорудами, що використовуються людиною вже більш п'яти сторіч, є поля фільтрації. Вони являють собою сплановані площадки (карти) з ухилом до 0,02, обваловані дамбами, площею від декількох квадратних метрів до 1,5—2 га. Поля фільтрації влаштовуються звичайно на проникних ґрунтах — пісках, супісках, легких суглинках. Поряд з біологічним очищенням стічних вод, у якій беруть участь сукупність мікроорганізмів як водних, що формуються на поверхні карт, так і ґрунтових, що розвиваються в товщі проникних ґрунтів, у процесі фільтрації води через породи підстилаючої поверхні відбувається її додаткова механічна і частково фізико-хімічне очищення. Перевагами полів фільтрації є простота обладнання і експлуатації. До їхніх недоліків варто віднести необхідність заняття великих площ, можливість забруднень підземних вод і атмосферного повітря газоподібними продуктами розкладання господарсько-побутових стічних вод, що відчувається на відстані до 200 м від полів фільтрації.

Різновидом полів фільтрації є поля підземної фільтрації, у яких на глибині 0,5—1,8 м укладаються дренажні труби. По них очищена вода відводиться з полів фільтрації і використовується для зрошення сільськогосподарських угідь.

П рогресивним розвитком методів природного біологічного очищення є біоінженерні споруди типу біоплато. Для очищення і доочистки стічних вод населених пунктів можуть бути використані конструкції типу інфільтраційних і поверхневих биоплато (рис. 6).

11

10

Рис.6. Очисні споруди типу біоплато:

А- інфільтраційне біоплато; Б — поверхневе біоплато

1 — подача води на очищення; 2 — відстійник; 3 — осад; 4 — розподільний трубопровід; 5 — протифільтраційний екран; 6 — рослинний ґрунт; 7 — пісок; 8 — щебінь; 9 — дренаж; 10 — вища водна рослинність; 11 — кам'яний накид; 12 — очищена вода

Інфільтраційне биоплато — інженерна споруда, розміщена, як правило, у котловані глибиною до 2 м, на дні якого влаштовується протифільтраційний екран з поліетиленової плівки. Поверх екрана укладається горизонтальний дренаж і шар щебеню, піску, керамзиту або іншого фільтруючого матеріалу. Поверхня споруди засаджується очеретом, рогозом або іншими місцевими видами вищої водної рослинності з розрахунку не менше 10—12 стебел на 1 м². За технологією біоплато в очищенні води беруть участь сукупність водних (на поверхні) і ґрунтових (у фільтруючому шарі) мікроорганізмів, вища водна рослинність і сам фільтруючий шар. Поверхневе биоплато також розміщається в котловані і має протифільтраційний екран. Роль дренажу виконує кам'яний накид, замість фільтруючого шару укладається ґрунт котловану, поверхня якого засаджується вищою водною рослинністю. Вища водна рослинність, крім очисної функцій, забезпечує підвищену транспірацію (випаровування) рідини, що очищається, у літній період приблизно на 10-15%. Транспіраційні властивості вищої водної рослинності можуть бути використані також для прискорення підсушування мулових майданчиків, підвищення пропускної здатності й ефективності очищення полів фільтрації.

Очисні споруди за технологією біоплато складаються, як правило, з декількох блоків, розташовуваних каскадом, причому блок поверхневого біоплато є кінцевим. До складу споруд біоплато в якості кінцевого може бути включена болотиста ділянка {природне поверхневе биоплато) з наявністю достатніх заростей вищої водної рослинності. Початковим блоком споруд є відстійник, де відбувається видалення великих включень і зважених речовин. За технологією біоплато забезпечується очищення господарсько-побутових стічних вод по БПК₅ до 5—10 мг/л, по зважених речовинах — до 8—12 мг/л, причому наявність зважених речовин в основному зв'язано з виносом їх з фільтруючого шару. Значно (на 40—70%) знижується вміст з'єднань азоту і фосфору. Споруди біоплато, вдало розташовані по рельєфу місцевості, не вимагають застосування електроенергії, хімікатів і забезпечують надійну роботу як у літній, так і в зимовий період. Для очищення виробничих стічних вод за технологією біоплато потрібно робити їх попередню очистку відповідно до особливостей їхнього складу і властивостей.

2.4. Методи очищення виробничих стічних вод

Очищення виробничих стічних вод організується з метою використання їх у системах оборотного, послідовного або замкнутого водопостачання, забезпечення умов прийому до міських систем водовідведення або скидання у водні об'єкти.

Вода, використана в технологічному процесі, містить домішки у вигляді: зважених часток розміром від 0,1 мкм і більше, що утворюють суспензії; крапельок, що нерозчиняються у воді, іншої рідини, що утворюють емульсії; колоїдних систем з частками розміром від 1 мкм до 1 нм і розчинених у воді речовин у молекулярній або іонній формі. Домішки, що утримуються в технологічній воді, часто цінною сировиною або готовою продукцією.

Методи очищення стічних вод підрозділяються на механічні, хімічні і біологічні.

Механічні методи очищення забезпечують виділення з стічних вод зважених і плаваючих домішок. Найбільш простий спосіб видалення цих домішок — відстоювання, у процесі якого зважені речовини осідають на дно, а плаваючі домішки(легші за воду), спливають на поверхню відстійників. Відстійники влаштовуються горизонтальні, вертикальн і радіальні (рис 6).

1

2

В

3

Рис. 5.6. Відстійники:

А — горизонтальний; Б — вертикальний; В — радіальний

1 - забруднена вода; 2 - очищена вода; 3 - осад (шлам); 4 - скребковий механізм

У горизонтальному відстійнику довжина в 8—12 разів більше його глибини. Відстійники бувають безперервної або періодичної дії. У відстійниках безперервної дії відділення домішок відбувається завдяки різкому зменшенню швидкості руху рідини, що очищається, (до 0,005— 0,01 м/с). Тривалість проходження рідини через відстійник складає 1—3 години. Ефективність осветления води — від 40 до 60%. У відстійниках періодичної дії тривалість відстою рідини складає кілька годин (без руху), після чого відбувається видалення домішок, що спливли, проясненої води й осаду. Потім процес повторюється.

Глибина (висота) вертикального відстійника в кілька разів перевищує його горизонтальний розмір. Поділ твердої і рідкої фаз відбувається за рахунок зменшення швидкості потоку і зміни його напрямку на 180°. Вертикальні відстійники більш компактні, однак їхня ефективність на 10—20% нижче, ніж у горизонтальних.

У конструкції радіального відстійника реалізований принцип дії вертикального і горизонтального відстійників. У центральній його частині відбувається зміна напрямку потоку рідини, що очищається, а від центра до периферії він працює в режимі горизонтального відстійника. Це дозволяє одержувати досить компактні спорудження великої продуктивності. Ефективність осветления в радіальних відстійниках досягає 60%. Глибина їх коливається від 1,5 до 5 м, діаметр — від 15 до 60 м.

У залежності від виду вловлюємих домішок, відстійники можуть називатися нафтоловушками, жироловушками і т.п. Ефективність видалення з води даних домішок, складає 95—96%. Домішки, що спливли, віддаляються з поверхні спеціальними пристосуваннями і направляються на утилізацію.

Для видалення з води волокнистих домішок (часточок вовни, ниток, азбесту й ін.) використовується дисковий волокновловлювач, що представляє собою обертовий перфорований диск, по якому тонким шаром стікає рідина, що очищається.

Для підвищення ефективності процесу освітлення до очищаємої рідини у відстійниках додають коагулянти — речовини, що при взаємодії з водою утворять хлопкопобні (хлоп’я) частки розміром 0,5—3 мм із розвитий поверхнею, що володіють також невеликим електричним зарядом. При осіданні ці хлопья захоплюють з рідини зважені і колоїдні частки. Як коагулянти застосовуються сірчанокислий алюміній, хлорне залізо й ін. Витрата їх складає від 40 до 700 кг/м³ рідини, що очищається. Високі дози відносяться до фізико-хімічного очищення технологічних вод, що забезпечує видалення хрому і ціанідів, а також знебарвлення води.

Інтенсифікації процесу коагуляції сприяє добавка флокулянтів — речовин, що забезпечують з’єднання пластин коагулянтів і прискорюють тим самим їхнє осадження. Як флокулянти застосовують клейкі речовини: крохмаль, декстрин, силікатний клей. Досить ефективним є синтетичний флокулянт — поліакриламід (ПАА), що широко використовується також при підготовці питної води. Доза застосування ПАА коливається від 0,5 до 25 г/м³ рідини, що очищається. Впроваджуються в практику й інші коагулянти і флокулянти на основі активних полімерів, дози застосування яких у десятки разів менше.

Тонкодисперсні часточки, що не вдається витягти з рідини у відстійниках, можуть бути вилучені за допомогою фільтрування. Процес фільтрування полягає в проходженні рідини через пористу перешкоду, на якій осаджуються дрібнодисперсні частки. Як фільтруючий шар використовуються зернисті матеріали (пісок, гранітна або мармурова крихта, керамзит і ін.), тканини і нетканні полотна (бавовняні, вовняні, синтетичні, з азбесту, скловолокна й ін.), металеві сітки, перфоровані пластини, пориста кераміка. Для прискорення процесу фільтрування здійснюється під тиском або за допомогою вакууму. Для витягу нафтопродуктів, олій і інших емульгованих домішок застосовуються фільтри з поліуретану. Ефективність видалення зважених і емульгованих домішок методом фільтрування досягає 99% і більше.

У гідроциклонах і центрифугах поділ рідкої і твердої фаз виробляється під впливом відцентрових сил. Для видалення зважених речовин використовуються напірні гідроциклони (рис. 7). Для видалення домішок, що плавають, застосовуються відкриті гідроциклони. Гідроциклон являє собою металевий апарат, що складається з циліндричної і конічної частин. Діаметр циліндричної частини — від 100 до 700 мм, висота приблизно дорівнює діаметрові. Кут конусності складає 10—20°. Усередині апарата знаходяться направляючі напір води лопасті у вигляді гвинтової спіралі. Подана під тиском рідина, рухаючи по спіралі до зливу, відокремлюється від зважених речовин. Частина рідини з великим змістом зважених речовин віддаляється з гідроциклона, а прояснена вода під дією вакууму, що утворився, рухається нагору і виливається через верхній отвір. У відкритому (безнапірному) гідроциклоні видалення проясненої води відбувається через бічні отвори, а спливаючі домішки витягаються за допомогою сифона. Гідроциклони, у порівнянні з іншими апаратами для механічної очистки вод, відрізняються високою продуктивністю, компактністю, економічні у виготовленні й експлуатації. Ефективність очищення від зважених і плаваючих (тобто легших) домішок складає приблизно 70%.

А2 Б

А

Б

2

Рис. 5.7. Гідроциклони:

А — вертикальний напірний; Б — багатоярусний відкритий

1 — забруднена вода; 2 — очищена вода; 3 — осад (шлам); 4 — домішки, що плавають, (нафтопродукти, олії)

Центрифугування є ефективним методом поділу суспензій і емульсій. Центрифуги виготовляються періодичної і безперервної дії з автоматичним вивантаженням осаду і проясненої рідини (фугата). При центрифугуванні досягається досить високий ступінь зневоднювання осаду і виходить відносно чистий фугат. Центрифуги споживають велику кількість електроенергії, створюють високі шумові навантаження і небезпечні в експлуатації.

Фізико-хімічні методи очищення забезпечують видалення з води, як правило, розчинених речовин, що непіддаються або погано піддаються біологічному очищенню, а також речовин, що можуть здійснити негативний вплив на колектори або інші елементи систем водовідведення.

Найбільш простим і розповсюдженим методом фізико-хімічного очищення є нейтралізація, що полягає в підкисленні лужних вод (із рН>8,5) і під луженням вод із рН<6,5. При наявності на виробництві кислих і лужних вод нейтралізація досягається їхнім змішуванням. При відсутності однієї з категорій вод нейтралізація здійснюється шляхом добавки реагенту. Для нейтралізації кислих вод найкраще використовувати відходи лугів — гідроокису натрію або калію, що не дають осаду. При використанні гідроокису кальцію у вигляді вапняного молока утвориться шлам, який необхідно видаляти, знешкоджувати й утилізувати. Нейтралізація кислих вод досягається також фільтруванням їх через шар вапняку, доломіту, магнезиту, шлаку або золи.

Для нейтралізації лужних вод використовується відпрацьована сірчана кислота. Високоефективним методом нейтралізації лужних вод є продувка через них газових викидів, що містять оксиди сірки, вуглецю, азоту й інші кислотоутворюючі окисли. У такий спосіб забезпечується одночасно ефективне очищення димових газів.

Реагентная обробка застосовується для очищення вод від ціанідів, роданідів, іонів важких металів і ряду інших домішок. Вид застосовуємого реагенту визначається складом домішок, що підлягають видаленню з води. Так, розкладання ціанідів досягається обробкою води рідким хлором або речовинами, що виділяють активний хлор ( хлорним вапном, гіпохлоридом кальцію або натрію).

Окислюванням вдається домогтися деструкції таких з'єднань, як альдегіди, феноли, анілінові барвники, сіркомістящі органічні речовини й ін. Як окислювачі застосовують кисень, озон, перекис водню, піролюзит. У процесі окислювання відбувається розкладання шкідливих домішок до простих окислів або утворення з'єднань, що піддаються біохімічному розкладанню.

Виділення з води іонів ртуті, хрому, кадмію, свинцю, нікелю, міді, миш'яку основано на переведенні їх з розчину в нерозчинний осад. З цією метою воду, що очищається, обробляють з'єднаннями натрію або кальцію - сульфітом, бісульфітом або сульфідом, карбонатами або гідроокисом. Шлам, що утвориться, видаляють, утилізують або складируют.

Одним з високоефективних методів очищення є іонний обмін, що являє собою процес взаємодії очищаємої рідини із зернистим матеріалом, що володіє здатністю заміняти іони, що знаходяться на поверхні зерен, на іони протилежного заряду, що утримуються в розчині. Такі матеріали називаються іонітами. Іонітними властивостями володіють природні мінерали — цеоліти, апатити, польові шпати, слюда, різні глини. Синтезовано велике число високоефективних іонітів, що володіють селективними властивостями. До них відносяться силікагелі, алюмогелі, пермутити, сульфовуглі і іонообменні смоли — синтетичні високомолекулярні органічні сполуки, вуглеводневі радикали. Іоніти не розчиняються у воді, володіють достатньою механічною міцністю, забезпечують можливість їхньої регенерації з одержанням цінних речовин, що витягаються з очищаємих вод. Існують іонообменні установки періодичної і безперервної дії (рис. 8). Установки періодичної дії працюють як фільтри з зернистим завантаженням у вигляді гранул іонітів. При насиченні поверхні гранул іонами речовини, що витягаються з води, здійснюється їхня регенерація слабким розчином (2—8%) лугу або кислоти. В установках безперервної дії гранули іонітів і рідина, що очищається, рухаються противотоком, постійно перемішуючись. У процесі роботи частина гранул подаються на регенерацію і заміняються новими. Завдяки високій механічній міцності і здатності до регенерації гранули іонітів мають досить тривалий термін служби. Іонний обмін є, власне кажучи, універсальним методом очищення вод. Для витягу практично будь-якої речовини з води можна підібрати відповідний іоніт або групу іонітів. Ефективність іонообменноого очищення досягає 95—99%.

Рис. 8. Установки іонообменного очищення:

4

А

5

Б)

А)

— періодичної дії; Б — безперервної дії

1 — забруднена вода; 2 — гранули іоніту; 3 — розчин для регенерації іоніту; 4 — очищена вода; 5 — добавка іоніту

Іншим універсальним і високоефективним методом очищення вод є сорбція. Сорбція застосовується переважно для очищення стічних вод, що містять високотоксичні речовини, що непіддаються біохімічному окислюванню. Метод сорбційного очищення заснований на адгезії (прилипанні) розчинених речовин поверхнею і порами сорбенту — речовини, що володіє розгалуженою зовнішньою і внутрішньою (пори) поверхнею. Найкращим сорбентом є активоване вугілля. Сорбційними властивостями володіють золи, шлаки, стружка, коксова крихта, торф, керамзит і ін. Конструкції установок сорбційного очищення аналогічні іонообмінним (рис 9). Висока ефективність очищення досягається в установках із псевдозжиженим ("киплячим") шаром, коли в порожню вертикальну колону знизу під тиском подається вода, що очищається, через шар сорбенту, який знаходиться в зваженому стані. Відпрацьований сорбент заміняється новим або регенерується. При підтримці сорбенту в "киплячому" шарі, коли досягаються найкращі умови контакту його зовнішньої і внутрішньої поверхні з рідиною, що очищається, ефективність очищення досягає 99%. Якщо псевдозжижений шар злежується, ефективність очищення різко знижується.

А)

Б)

1

3

Рис. 9. Установки сорбційного очищення:

А — одноярусна; Б — триярусна

1 — забруднена вода; 2 — сорбент; 3 — очищена вода; 4 — відпрацьований сорбент; 5 — чистий сорбент; 6 — решітка

Флотаційне очищення застосовується для видалення з води поверхнево-активних речовин (ПАР), нафтопродуктів, жирів, смол і ін. Процес флотації полягає в сорції домішок, що утримуються у воді, поверхнею пузирьками повітря, що нагнітається в очищаємі води. У практиці очищення вод використовуються напірні, безнапірні, вакуумні і электро-флотаційні установки. Найбільше поширення одержали напірні установки (рис 5.10). У таких установках вода спочатку насичується повітрям під тиском, а потім подається у відкритий резервуар, де відбувається виділення пузирків і сорбуванні ними домішок, що утримуються у воді. Іноді стиснене повітря подається в нижній шар рідини, що знаходиться в резервуарі (флотаторі). Для підвищення ефективності очищення повітря подається через пористі (фільтросні) пластини. При вакуумній флотації у флотаторі створюється розрядження, що сприяє утворенню пузирьків повітря. Для безнапірної флотації використовуються ерліфтні установки, що дозволяють істотно (у 2—4 рази) знизити витрати електроенергії на флотаційне очищення. Підвищенню ефективності очищення вод при флотації сприяє наявність синтетичних поверхнево-активних речовин (СПАР). Утворена ними густа стійка піна підвищує ступінь витягу з води емульгованих і диспергованих домішок. При флотації одночасно досягається дегазація вод, що очищаються, і насичення їх киснем.

Рис. 5.10. Установки флотаційного очищення:

1 — забруднена вода; 2 — стиснене повітря; 3 — газгольдер; 4 — флотатор; 5 — очищена вода; 6 — пінний шлам

При електрофлотації утворення пузирьків газу відбувається внаслідок електролізу води. На аноді виділяється кисень, на катоді — водень. Однак цей метод очищення через великі витрати електроенергії і росту її вартості практично не використовують. По цих же причинах усе рідше застосовують раніше широко розповсюджені електрохімічні методи очищення вод: анодне окислювання і катодне відновлення, електрокоагуляція, електродіаліз. Електрохімічні методи очищення засновані на пропущенні постійного електричного струму через рідину, що очищається. Кисень, що виділяється на аноді, окисляє органічні домішки. Як аноди використовують електролітичні матеріали, що нерозкладаються: графіт, магнетит, діоксиди свинцю, марганцю або рутенію, що наносяться на титанову основу. На катодах відбувається виділення водню й осідання іонів металів з утворенням нерозчинних гідроксидів. Катоди виготовляють зі сталі або алюмінію. У процесі електролізу катіони катодів, взаємодіючи з гідроксидними групами, утворять гідроокиси у вигляді хлоп’їв. Цей процес називається електрокоагуляціею.

Однієї з різновидів електрохімічної очистки є електродіаліз, який оснований на поділі іонізованих речовин, що знаходяться в розчині, по відсіках, відгородженим проникливими мембранами (рис. 3.11). Високий ефект досягається при використанні мембран з іонітів. Електродіаліз є ефективним методом опріснення вод, зокрема морської води для наступного використання її в питному водопостачанні. Установки опріснення морської води успішно використовують в Ізраїлі, інших країнах Близького Сходу. З 1973 р. у Казахстані, на півострові Мангишлак у Каспійському море, експлуатується одна з найбільших у світі установок по опрісненню морської води. Енергією її забезпечує побудована тут АЕС. Електрохімічні методи відрізняються універсальністю, забезпечують високу ефективність очищення, добре піддаються автоматизації. Однак їхнім недоліком, як уже відзначалося, є велика витрата електроенергії.

H₂SO₄

Рис. 3.16. Принцип роботи установки електродіаліза зі звичайною пористою мембраною

Інші фізико-хімічні методи очищення вод мають обмежене застосування.

Екстракція — видалення зі стічних вод розчинених або емульгованих речовин за допомогою екстрагенту — розчинника більш сильного, ніж вода. Наприклад, очищення стічних вод від нафтопродуктів шляхом розчинення їх бензином з наступним його відгоном.

Евапорація — відгін з води летучих речовин водяною парою.

Гіперфільтрація (зворотний осмос), мікрофільтрація — виділення з води гідратованих іонів, молекул і інших дрібних часток шляхом пропущення її під великим тиском через мембрани, розміри отворів яких менше розмірів часток, що витягаються з води. Наприклад, зворотний осмос використовується для знесолення води.

При наявності на виробництві надлишків тепла, наприклад, гарячих димових газів, можна організувати випарювання або випаровування стічних вод. При цьому варто застосовувати заходи по охороні атмосферного повітря від шкідливих речовин, що випаровуються, таких як бенз(а)пірен і ін.

Випаровування стічних вод може відбуватися й у природних умовах у накопичувачах-випарниках, що представляють собою земляні споруди, іноді гігантських розмірів — висотою в кілька десятків метрів, діаметром кілька кілометрів.

2.5. Умови прийому виробничих стічних вод у міську систему водовідведення

Виробничі стічні води, як правило, проходять очищення на самому підприємстві і надалі можуть бути використані цим же підприємством, передані для використання іншому підприємству, скинуті у водний об'єкт або по системі водовідведення спрямовані на загальміські очисні споруди. Необхідний ступінь очищення міських стічних вод визначається умовами скидання стічних вод у водні об'єкти. Однак очисні можливості загальміських очисних споруд, основною ланкою яких є комплекс біологічного очищення, досить обмежені. На спорудах біологічного очищення зі стічних вод практично не видаляються іони важких металів, не піддаються деструкції штучно синтезовані органічні речовини. Тому в складі виробничих стічних вод, що подаються на загальміські очисні споруди, вміст речовин, що непіддаються або погано піддаються біохімічному окислюванню, повинен бути обмеженим або вони повинен бути зовсім відсутнім.

Активний мул, що представляє собою певним чином сукупність мікроорганізмів, і який є головним "робочим” інструментом біологічного очищення, може бути знищений або значною мірою пошкоджений під впливом кислот, лугів, токсичних речовин або високої температури. Тому виробничі стічні води, що подаються на біологічне очищення не повинні згубно впливати на активний іл.Крім того, стічні води, що подаються в систему водовідведення, не повинні викликати руйнування і засмічення каналізаційних колекторів.

Виходячи з цього, забороняється скидати в міські системи водовідведення виробничі стічні води,що:

• мають рН менше 4,0 і більш 9,0;

• при показниках ХПК, більш ніж у 2,5 рази перевищуючих БПК₅ або більш ніж у 1,5 рази перевищуючих БПК_повне, що свідчить про значні концентрації в стічних водах органічних сполук, що непіддаються біохімічному окислюванню;

• містять токсичні і радіоактивні речовини, збудників інфек­ційних захворювань, а також речовини, для яких не встановлені ГДК;

• із вмістом зважених і спливаючих речовин (легших за воду) понад 500 мг/л;

• с температурою вище 40° С.

Скидання стічних вод промислових підприємств у міську систему водовідведення повинен здійснюватися рівномірно протягом доби. Залпові скидання не допускаються.

Загалом, у міські системи водовідведення забороняється скидати такі речовини:

• концентровані розчини;

• осади після локальних очисних споруд, ґрунт, будівельне і побутове сміття, виробничі відходи;

' •кислоти, луги, розчинники, смоли, бензин, мазут і інші нафтопродукти;

• розчини, що містять сірководень, сірковуглець, леткі вуглеводні;

• речовини, здатні засмічувати труби, колодязі, решітки або відкладатися на стінках труб;

• горючі домішки і розчинені газоподібні речовини, здатні утворювати вибухонебезпечні суміші, агресивні гази з корозійним впливом на каналізаційні мережі і споруди.

Скидання стічних вод у водні об'єкти після очищення на загальміських очисних спорудах регламентується нормативами гранично припустимих скидів забруднюючих речовин (ГДС). З огляду на обмежені очисні можливості загальміських очисних споруд, управління по експлуатації цих споруд установлює для своїх абонентів-підприємств, що скидають стічні води в міську систему каналізації, ліміти прийому по кількості і складові промстоков. Ліміти встановлюються таким чином, щоб забезпечити нормативні умови скидання очищених на загальміських споруди стічних вод у водний об'єкт. Для дотримання встановлених кожному підприємству лімітів здійснюється локальне очищення виробничих стічних вод, як правило, на самому підприємстві. Іноді кілька підприємств організують спільне очищення своїх стічних вод.

2.6. Умови скидання стічних вод у водні об'єкти (загальні)

Скидання стічних вод у водні об'єкти відноситься до одного з видів спеціального водокористування і здійснюється на основі дозволу, видаваного місцевими органами екологічної безпеки. Відведення стічних вод у водні об'єкти регламентується нормами гранично припустимих скидів речовин (ГДС). ГДС — це максимально допустима маса речовини, що відводиться зі стічними водами в одиницю часу, яка дозволяє забезпечити дотримання норм якості води в контрольному створі водного об'єкту для найгірших умов водокористування. ГДС установлюється для кожного випуску стічних вод у водний об'єкт. ГДС для кожного показника якості води визначається як добуток максимальної годинної витрати стічних вод на його гранично припустиме значення:

ГДС=Q_ст·С_гдс

де С_гдс - гранично припустиме значення показника, г/м³; Q_ст — максимальна часова витрата стічних вод, м³/годину.

Розрахунок С_гдс базується на наступних методологічних положеннях:

1) С_гдс розраховується для найгірших умов водокористування. Вони характеризуються наступними параметрами:

— розрахункова витрата водотоку відповідає максимальній середньомісячній витраті року 95% водної забезпеченості для незарегульованних водотоків або мінімальній гарантованій витраті че­рез греблю для зарегульованих;

—значення показника у фоновому створі (фонова концентрація) визначається розрахунковим шляхом як статистично обґрунтована верхня границя можливих середніх значень;

—норми якості води в контрольному створі повинні дотримуватися в найбільш забрудненій частині потоку;

2) у відповідності до «Правил охорони поверхневих вод від забруднення поворотними водами» (1999) ГДС устанавлюються для визначення необхідного ступеня очищення стічних вод, що скидаються у водні об'єкти за умови дотримання нормативів екологічної безпеки водокористування;

3) якщо фонова концентрація за якими-небудь показниками не відповідає нормам якості води, те С_гдс повинно бути забезпечене безпосередньо в стічній воді;

4) розрахункова величина С_гдс не повинна перевищувати фактично досягну­ту (проектну) величину концентрації;

5) випуск стічних вод у межах території населеного пункту допускається у виняткових випадках, у цьому випадку екологічні норми якості води повинні дотримуватися в самих стічних водах;

6) відповідно до Правил (1999) для міських стічних вод, які пройшли повне біологічне очищення, установлені наступні С_гдс: БПК₅ — не більше 15 г/м³, ХПК — не більш 80 г/м³, зважених речовин — не більше 15 г/м³; скидання інших забруднюючих речовин нормується виходячи з умов дотримання досягнутої категорії якості води водного об'єкта;

7) якщо скидання стічних вод відбувається в межах риси населеного пункту, але здійснюється через ефективний випуск, що розсіює, то ГДС повинен забезпечити дотримання норм якості води в зоні початкового розбавления розсіючого випуску;

8) якщо природна якість водного об'єкта (природний фон) по­ окремим показниках перевищує ГДК, то величини ГДС повинні забезпечувати збереження фонового стану водного об'єкта.

Вихідними даними для розрахунку ГДС є: тип водного об'єкта — приймача стічних вод; розрахункове значення фонової концентрації; кратності розведення стічних вод, що відповідають найгіршим гідрологічним умовам; тип випуску стічних вод; місце розташування випуску; фактичні (проектні) значення концентрації в стічній воді; затверджена максимальна годинна витрата стічних вод.

Як приклад розглянемо методику розрахунку С_ГДС для зосередженого випуску промислового підприємства, розташованого в межах населеного пункту. Скидання стічних вод здійснюється у водотік.

Відповідно до методичного положення 5) норми якості води повинні дотримуватися в самій стічній воді. Відповідно до методичного положення 2) ці норми повинні відповідати вимогам екологічної безпеки комунально-побутового водокористування. Згідно з цими нормами в стічній воді повинні виконуватися наступні умови:

а) величина БПК_повн, ХПК, мінералізації і концентрації для речовин 3 і 4 класів небезпеки повинні відповідати нормативним значенням, приведеним у «Загальних вимогах до якості поверхневих вод» (ЗВ) і в переліку гранично припустимих концентрацій речовин, приведеному в «Санітарних правилах і нормах охорони поверхневих вод від забруднення» (СанПіН 4630-88), тобто С_ГДС^розр = ЗВ або С_ГДС^розр = ГДК, де С_ГДС^розр - розрахункова концентрація, установлена для ГДС.

Відповідно до методичного положення 4) величина С_гдс не повинна перевищувати фактично досягнуту (проектну) концентрацію (С_ст) нормованої речовини в стічних водах, що скидаються:

С_ГДС≤С_ст (5.1)

Виходячи з цього, можна записати:

С_ГДС = min[ГДК(ЗВ), С_сті];

б) для речовин 1 і 2 класів небезпеки норми якості будуть дотримані в самій стічній воді, якщо виконується співвідношення:

(5.2)

Очевидно, що для кожної речовини С_ГДС складає частку свого ГДК, тобто:

С_ГДК=К_і·ГДК_і, (5.3)

де К_і< 1.

Обмеження (5.1) може бути приведене до вигляду:

(5.4)

З (5.2) випливає, що

, (5.5)

якщо ця умова не суперечить співвідношенню (5.4)

Таким чином, значення С_гдс визначаються співвідношенням (5.3), у якому значення К_і повинні задовольняти обмеженням (5.4) і (5.5). З урахуванням цих обмежень величини К_і повинні підбиратися таким чином, щоб досягнення норм ГДС вимагало мінімальних витрат.