6.10. Способы очистки сточных вод

Стоки разных видов, как правило, сбрасываются в свою систему канализации. Все стоки, за исключением условно чистых, перед их использованием или сбросом должны подвергаться очистке.

Условно-чистые воды должны направляться на охлаждение или нагревание и возвращаться в оборотный цикл.

Способы очистки сточных вод делятся на: механические, физико-химические, электрохимические, биохимические.

6.10.1. Механическая очистка

Процеживание. Для извлечения крупных примесей, во избежание засорения труб и каналов, используют решетки с прозорами 5-15 мм.

Для удаления более мелких взвешенных частиц применяют сита, отверстия которых зависят от улавливаемых примесей (0,5-1мм).

Для очистки от грубодисперсных примесей используется отстаивание в песколовках, отстойниках, нефтеловушках, осветлителях и др.

Песколовки предназначены для удаления механических примесей, размером более 250 мкм (песка, окалины). Принцип действия песколовки основан на изменении скорости движения твердых тяжелых частиц в потоке жидкости. Песколовки могут быть различных конструкций (с горизонтальным, вертикальным или круговым движением воды) (рис. 6.2).

Песколовки предназначены для выделения механических примесей с размером частиц более 0,2 мм. Необходимость предварительного выделения механических примесей (песка, окалины и др.) обусловливается тем, что эти примеси в других очистных сооружениях могут выделяться и усложнять их эксплуатацию.

В аэрируемых песколовках вдоль одной из стенок по всех длине установлены аэраторы, через которые подается сжатый воздух, создающий вращательное движение воды.

Отстойники. Отстаивание сточных вод широко применяется для выделения оседающих и всплывающих грубодисперсных частиц.

Отстойники в зависимости от направления движения воды разделяются на три основных конструктивных типа – вертикальные, горизонтальные и радиальные.

Рис. 6.2. Основные схемы песколовок

а – вертикальной; б и в – горизонтальных с круговым движением воды; г – аэрируемой; 1 – подача сточной воды; 2 – отвод воды; 3 – удаление пульпы; 4 – воздуховод; 5 – воздухораспределители; 6 – сборник всплывающих веществ; 7 – отвод всплывающих веществ

Тип отстойника и его конструкцию выбирают с учетом пропускной способности, концентрации и характера примесей, способа обработки осадка, уровня грунтовых вод.

Число отстойников принимается: первичных - не менее двух, вторичных - не менее трех.

Эффективность работы отстойников зависит от конструкции водораспределительных и водосборных устройств. Входное устройство должно обеспечивать быстрое затухание скорости потока и его равномерное распределение в поперечном сечении отстойника; выходное устройство – не взмучивание осадка.

Рис. 6.2. Отстойники: а — горизонтальный (1 — входной лоток; 2 — отстойная камера- 3 — входной лоток; 4 — приямок); б - вертикальный (1 - цилиндрическая часть-2 — центральная труба; 3 - желоб; 4 - коническая часть); в - радиальный (7 — корпус; 2 — желоб; 3 — распределительное устройство; 4 — успокои-тельная камера; 5 — скребковый механизм)

Вертикальные отстойники применяются на станциях с пропускной способностью до 20000 м³/сут. для очистки производственных и бытовых сточных вод. Они представляют резервуары диаметром 4-9 м с коническим днищем, в котором скапливается осадок.

В вертикальных отстойниках сточная вода подается в водораспределительный лоток, расположенный по периметру, и через водослив в кольцевую зону, образованную стенкой отстойника и струенаправляющей перегородкой. В нижней части кольцевой зоны находится отражательное кольцо, направляющее поток в зону отстаивания. Осветленная вода отводится через кольцевой водосборный лоток, в который вода поступает с двух сторон через зубчатый водослив. Всплывающие вещества удаляются через воронку, расположенную в кольцевой зоне.

Горизонтальные отстойники применяют при пропускной способности более 15000 м³/сут. Наибольшее распространение получили прямоугольные в плане отстойники с иловыми приямками, расположенными в начале сооружений. Отстойники оборудованы скребковыми механизмами, сдвигающими выпавший осадок к иловым приямкам, откуда он удаляется насосами.

Нефтеловушки – горизонтальные отстойники, используемые для выделения из сточных вод нефтепродуктов, масел и жиров. Принцип работы основан на всплывании частиц с меньшей, чем вода, плотностью (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Схема нефтеловушки

1 – распределительная камера; 2 – трубопровод; 3 – электродвигатель;

4 – скребковый транспортер; 5 – водослив; 6 – отстойная камера

Скорость движения воды в нефтеловушке от 0,005-0,01 м/с, при этом всплывает 96-98 % нефти. Скорость всплывания частиц зависит от их размера, плотности и вязкости раствора. Всплывают частицы 80-100 мкм. Время отстоя около 2 часов. Глубина нефтеловушки 1,5-4 м, ширина 3-6 м, длина около 12 м, количество секций - не менее двух, соединенных последовательно.

Рис. 7.9. Схемы открытого (а) и напорного (б) гидроциклонов: 1 — водослив; 2 — кольцевой лоток; 3 — патрубок для отвода сточных вод; 4 — патрубок для подачи сточных вод; 5 — патрубок для выпуска

осадка

Фильтры. Фильтрование применяется для выделения из сточных вод тонкодисперсных твердых и жидких частиц, которые не отстаиваются. В качестве фильтрующих материалов используются металлические сетки, тканевые фильтры (хлопчато-бумажные, из стекло- и искусственного волокна), керамические, иногда используются зернистые материалы (песок, гравий, торф, уголь и др.).

При прохождении сточных вод через фильтрующий материал на его поверхности или в поровом пространстве задерживается выделенная из сточной воды взвесь.

Фильтр это, как правило, резервуар, в нижней части которого устроен дренаж для отвода очищенной воды. Скорость фильтрова­ния 0,1-0,3 м/час.

При фильтровании сточных вод через зернистые материалы протекают следующие процессы:

–отложение взвешенных веществ в виде тонкого слоя на поверхности фильтрующего слоя (пленочное фильтрование);

– отложение взвешенных веществ в порах фильтрующего слоя;

– отложение взвешенных веществ на поверхности фильтрующего слоя и в его порах.

Очистка фильтров проводится путем продувки воздухом или промывкой.

Гидроциклоны очищают сточные воды от взвешенных частиц под действием центробежной силы. Вода с высокой скоростью тангенциально подается в гидроциклон. При вращении в нем жидкости на частицы действуют центробежные силы, отбрасывающие тяжелые частицы к периферии потока. Чем больше разность плотностей, тем лучше разделение.

6.10.2. Физико-химические методы очистки

Адсорбционная очистка – поглощение загрязняющих веществ из сточных вод твердыми веществами – адсорбентами. Процессы адсорбции избирательны и обратимы.

Сорбенты могут извлекать многие органические вещества, в том числе не удаляемые другими методами с очень высокой степенью очистки.

В качестве сорбентов практически могут служить все мелкодисперсные твердые вещества, имеющие развитую поверхность, - активный уголь, зола, торф, опилки, глины, доменные шлаки и др.

Поверхностное натяжение между сорбентом и водой должно быть выше поверхностного натяжения между сорбентом и сорбируемым веществом.

Сорбент должен обладать значительной механической прочностью, а также легко регенерироваться.

Наиболее эффективными сорбентами являются активные угли (АУ), поры которых подразделяются на четыре вида: макропоры 100-2000 нм, переходные поры – 4-100 нм, супермикропоры – 1,6-4 нм и микропоры – менее 1,6 нм. Эффективность АУ обуславливается наличием в них микропор и в некоторой степени супермикропор.

Растворенные органические вещества имеют размер частиц менее 1,6 нм. Они заполняют объем микропор сорбента, полная удельная вместимость, см³/г, соответствует поглощающей способности сорбента.

Адсорбция может проходить в статических либо динамических условиях. Сорбция в статических условиях осуществляется интенсивным перемешиванием воды с сорбентом и последующим отделением сорбента от воды отстаиванием или фильтрацией. Процесс проводят в одну или несколько стадий (рис. 6.4).

Сорбция в динамических условиях осуществляется фильтрованием сточных вод через загрузку сорбента и позволяет полно использовать емкость сорбента.

Рис. 6.4. Схема адсорбционной установки с последовательным введением адсорбента: 1– смесители; 2 – отстойники.

По мере прохождения очищаемой воды через загрузку концентрация вещества в ней снижается. Также постепенно, начиная от входного сечения, увеличивается насыщенность сорбента. При полном насыщении сорбент перестает извлекать загрязняющие вещества.

Выделение веществ из сорбента называется десорбцией.

Отработанный адсорбент регенерируют перегретым паром или нагретым инертным газом.

Обычно сорбционная установка включает несколько (3-5) последовательно расположенных фильтров, что позволяет выключать на регенерацию головной фильтр лишь после того, как его загрузка достигнет предельного насыщения. После загрузки фильтра свежим сорбентом он переключается в конец установки.

Фло­та­ция при­ме­ня­ет­ся для уда­ле­ния из сточ­ных вод не­рас­тво­ри­мых дис­пер­ги­ро­ван­ных при­ме­сей, ко­то­рые пло­хо от­стаи­ва­ют­ся. Для это­го в во­ду по­да­ют воз­дух под дав­ле­ни­ем че­рез пер­фо­ри­ро­ван­ные тру­бы с мел­ки­ми от­вер­стия­ми (рис.6.4).

Рис. 6.5. Флотатор с фильтросными пластинами: 1 – камера; 2 – фильтросные пластины; 3 – скребок; 4 – шламоприемник.

При дви­же­нии че­рез слой жид­ко­сти пу­зырь­ки воз­ду­ха сли­ва­ют­ся с час­тич­ка­ми за­гряз­не­ний и под­нима­ют их на по­верх­ность во­ды, где они со­би­ра­ют­ся в ви­де пе­ны. Эф­фект очи­ст­ки за­ви­сит от ве­ли­чи­ны пу­зырь­ков воз­ду­ха, ко­то­рые долж­ны иметь раз­мер 10-15 мкм. Сте­пень очи­ст­ки со­став­ля­ет 95-98%. Для уве­ли­че­ния сте­пе­ни очи­ст­ки в во­ду мож­но до­ба­вить коа­гу­лян­ты. Ино­гда во фло­та­то­ре од­но­вре­мен­но про­во­дит­ся и окис­ле­ние, то­гда во­ду на­сы­ща­ют воз­ду­хом, обо­га­щен­ным ки­сло­ро­дом или озо­ном. В дру­гих слу­ча­ях для уст­ра­не­ния окис­ле­ния фло­та­цию осу­ще­ст­в­ля­ют инерт­ны­ми га­за­ми. Флотация бывает напорная и вакуумная.

Ионный обмен - это процесс извлечения из воды одних ионов и замена их другими. Процесс осуществляется с помощью ионообменных веществ - нерастворимых в воде гранулированных веществ, имеющих в составе кислотные или основные группы, способные заменяться положительными или отрицательными ионами. В качестве ионообменных материалов, называемых часто смолами, используют природные и синтетические вещества.

.

Из природных наиболее известен глауконитовый песок и органические природные иониты – гуминовые кислоты почв и углей, цеолиты, глинистые минералы, полевые шпаты, различные слюды, гидраты окислов металлов (алюминия, хрома, циркония и др.) применяются для извлечения из сточных вод металлов (Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, Hg, Cl, Va, Mn и др.), а также соединений мышьяка, фосфора, цианистых соединений и радиоактивных веществ. Метод позволяет рекуперировать ценные вещества.

Иониты, способные поглощать из воды положительные ионы, называют катионитами, а отрицательные – анионитами. Иониты, обменивающие и катионы и анионы, называются амфотерными.

Упрощенно формулу катионита можно записать RH, а анионита – ROH, где R – сложный радикал.

Реакция ионного обмена протекает следующим образом:

при контакте с катионитом

RH+NaCl RNa+HCl,

при контакте с анионитом

RОH+NaCl RCl+NaOH.

Процессы ионообменной очистки сточных вод проводят на установках периодического и непрерывного действия.

Экстракция применяется для очистки сточных вод, содержащих фенолы, масла, органические кислоты, ионы металлов и др. Экстракция выгодна, если стоимость извлекаемых веществ компенсирует затраты на ее проведение. При концентрации 3-4 г/л экстракция выгоднее адсорбции.

При экстракции, растворенные в воде вещества переходят в несмешивающуюся с ней жидкость - экстрагент.

При контакте экстрагента с водой образуется экстракт (раствор извлеченного вещества в экстрагенте) и рафинат (остаточный водный раствор), из которого удалены экстрагируемые компоненты. Смесь экстракта и рафината разделяют отстаиванием, иногда центрифугированием.

Экстрагент должен иметь хорошую экстрагирующую способность, обладать селективностью (способностью экстрагировать одно или группу веществ), мало растворяться в воде, отличаться по плотности, иметь температуру кипения, значительно отличающуюся от температуры кипения экстрагируемого вещества, не взаимодействовать с экстрагируемым веществом, иметь малую огнеопасность, взрывоопасность и токсичность, низкую стоимость.

В качестве экстрагентов обычно применяют органические растворители (бензол, четыреххлористый углерод, бутилацетат и др.).

Экстракция проводится в 3 стадии:

1) интенсивное смешивание сточной воды с экстрагентом (органическим растворителем). При этом образуются две жидкие фазы; одна фаза - экстракт, содержащий извлекаемые вещества и экстрагент, другая – рафинад - сточную воду и экстрагент;

2) разделение экстракта и рафината;

3) регенерация экстрагента из экстракта и рафината.

Экстрагент из экстракта выделяется выпариванием, дистилляцией, химическим взаимодействием и осаждениями.

Мембранная сепарация - это процессы фильтрования растворов через полупроницаемые мембраны под давлением, превышающим осмотическое. Мембраны пропускают молекулы растворителя, задерживая растворенные вещества. Этот термин объединяет процессы гиперфильтрации или обратного осмоса, ультрафильтрации и электродиализа, которые различаются величиной давления. При ультрафильтрации используют давление 0,5 МПа, при обратном осмосе – 5 МПа.

Рис. 7.15. Схема опреснения воды методом обратного осмоса: 1 — впуск соленой воды; 2 — насос высокого давления; 3 — полупроницаемая мембрана; 4 — выпуск рассола

Аэрация и дегазация. Дегазация - удаление из сточных вод растворенных газов.

Наличие в стоках кислых газов (СО₂, Н₂S, SO₂, SO₃, NO₂) или щелочных (NH₃, CH₃, NH₂) затрудняет их очистку, вызывает или усиливает коррозию трубопрводов и сооружений, а также придает сточным водам неприятный запах.

Дегазацию проводят химическими (с примненением реагентов) или физикохимическими методами (нагреванием и вакуумируванием) и продувкой воздухом. - аэрацией.

Химические методы дегазации сточных вод применяют при низкой концентрации газов в воде, невозможности или нецелесообразности их утилизации и при условии, что продукты обработки не мешают дальнейшей очистке или использованию сточных вод. При этом сточные воды можно обрабатывать растворами щелочей, кислот, газообразными реагентами, либо поглотительными массами, например Fe(OH)₃. В качестве реагентов применяют известковое молоко, соду, едкие щелочи аммиак, различные кислоты.

Если растворенные газы являются восстановителями (H₂S, NH₃), дегазацию осуществляют сильными окислителями (хлор, озон) или электрохимическими методами. Дегазацию жидкими реагентами проводят в емкостях и аппаратах с мешалками, а газообразные реагенты продувают через сточные воды под избыточным давлением в колоннах с насадками.

Физико-химические методы дегазации включают нагревание и вакуумирование сточных вод. При нагревании или снижении давления растворимость газов резко падает, вследствие чего происходит их выделение из сточных вод.

Аэрация - насыщение сточных вод кислолдом. Аэрацию осуществляют за счет движения потока воздуха над зеркалом обрабатываемой сточной воды (реаэрация), либо интенсивным смешением воздуха с обрабатываемой сточной водой, применяя барботаж или разбрызгивание.

Удаление газов из сточных вод аэрацией возожно, если парциальное давление удаляемого газа в воздухе меньше парциального давления над поверхностью воды. Скорость удаления газов зависит от коэффициента диффузии газа в воде.

При аэрации помимо вытеснения газообразных продуктов воздухом возможно также их окисление, которое осуществляют при атмосферном давлении с применением катализаторов либо при повышенных давлении и температуре.