Кузнецов А.Е., Градова Н.Б., Лушников С.В. и др. Прикладная экобиотехнология. Учебное пособие. В 2-х томах

нологических стадиях, после извлечения целевых продуктов, от мойки

идезинфекции технологического и вспомогательного оборудования, коммуникаций, помещений, регенерации фильтров, сорбентов и т. п. Воды этой категории содержат органические и минеральные вещества, моющие, дезинфицирующие вещества, фосфаты, щелочи, кислоты

ит. д. в твердом, растворенном и коллоидном состояниях. Типичное содержание загрязнений производственно-загрязненных сточных вод:

взвешенные вещества – 500–600 мг/л, БПКп – 500–700 мг/л, минерализация – 600–1000 мг/л. Хозбытовые воды включают атмосферные осадки с территорий предприятий, где эти воды могут загрязняться (промливневые стоки). Содержание загрязнений в них, как правило, ниже, чем в производственно-загрязненных, поэтому они могут отводиться и очищаться раздельно от производственных. Для очистки промливневых вод обычно достаточно механических и физико-химических методов, и они могут использоваться для подпитки оборотных систем водоснабжения.

Сточные воды содовых, сульфатных, азотно-туковых заводов, обогатительных фабрик свинцовых, цинковых, никелевых руд и т. п. содержат в основном минеральные загрязнения: кислоты, щелочи, соли, ионы тяжелых металлов и др.

Сточные воды нефтеперерабатывающих, нефтехимических заводов, предприятий органического синтеза, коксохимических содержат различные нефтепродукты, аммиак, альдегиды, смолы, фенолы и другие вредные вещества (табл. 1.6), многие из которых довольно устойчивы к биологическому разложению. Очистка таких стоков проводится в несколько последовательных стадий с удалением органических поллютантов (нефтепродуктов, фенолов, роданидов и др.) на первых стадиях, неорганического азота (в коксохимическом производстве). На последующих стадиях очистки их биологическая очистка часто затруднена из-за токсичного действия загрязнений на биоценозы очистных сооружений. В этом случае перед биологической очисткой стоки разбавляют другими производственными стоками.

Таблица 1.6.

Типичные концентрации загрязнений в сточных водах нефтехимических и коксохимического производств

32 Глава 1

Окончание таблицы 1.6.

Для сточных вод пищевой, химико-фармацевтической, микробиологической, целлюлозно-бумажной и некоторых других отраслей промышленности,

атакже животноводства (табл. 1.7) характерны высокие концентрации биоло-

гически легко разлагаемых органических загрязнений (БПК5 1000–10000 мг/л, в отдельных случаях до 80000 мг/л). Многие из этих стоков содержат ценные примеси, извлечение которых экономически оправданно. При высоком содержании органических загрязнений (более 1000 мг/л) или биостойких и биотоксичных веществ технология очистки сточных вод многостадийна и может включать анаэробную и аэробную биологическую очистку, физико-химическую доочистку и другие методы.

Если стоки не содержат азот, фосфор в достаточном количестве (например, стоки целлюлозно-бумажных комбинатов, сахарной промышленности), то при использовании биологической очистки эти химические элементы необходимо добавлять для обеспечения нормального режима протекания биологического процесса.

Некоторые сточные воды пищевой промышленности, животноводства,

атакже производства минеральных удобрений содержат азот в избытке по отношению к содержанию органического углерода. В таких случаях требуется биологическая очистка с удалением избытка азота из сточных вод нитрификацией и денитрификацией.

Для очистки хозяйственно-бытовых и производственных стоков с содержанием загрязнений по ХПК не более 500 мг/л обычно достаточно применить механические и аэробные биологические способы для получения воды требуемого качества.

Если в сточной воде отсутствуют органические вещества и биогенные элементы или их количество незначительное, то биологическая очистка не используется.

Не существует универсального метода и технологии очистки, которые были бы пригодны для любого типа сточной воды. Используя существующие методы в различной последовательности и комбинации, можно разработать несколько сотен тысяч вариантов систем очистки. В конкретной ситуации для каждого типа сточных вод и вида потока необходимо подобрать тот или иной комплекс методов, с помощью которых будет достигнута приемлемая очистка. Выбор рациональной схемы водоочистки определяется составом и концентрацией загрязнений в сточных водах, объемом сбрасываемой воды, размером приемного водоема и его типом, местонахождением источника сброса, требуемой степенью очистки сточных вод и затратами на очистку.

Наиболее прогрессивные современные методы обезвреживания и переработки стоков должны быть высокоинтенсивными, экономически эффективными, экологичными – образовывать как можно меньше вторичных загрязнений уже на самой стадии обработки стоков. Биологические очистные сооружения должны быть компактными, активный ил — выдерживать высокие концентрации токсикантов и других загрязнений, быть способен как можно более полно разлагать их до безопасных продуктов при образовании незначительного количества избыточной биомассы (активного ила). Как правило, очистка концентрированных стоков обходится дешевле, чем очистка разбавленных стоков с тем же суммарным количеством загрязнений. Выбрав оптимальный вариант схемы очистки, можно удалить из сточной воды 85–98% органических загрязнений и 95–98% механических.

1.2.Общие принципы очистки сточных вод

Сточные воды могут поступать на городские очистные сооружения, на очистные сооружения предприятия, на локальные очистные сооружения (предприятий, малых хозяйств, домохозяйств). На рис. 1.3 представлена обобщенная схема поступления и организации очистки сточных вод.

В зависимости от соотношения мощности производственных и городских очистных сооружений сточные воды промышленного предприятия могут направляться на городские очистные сооружения и наоборот. Смешивать эти стоки перед очисткой часто оказывается выгодно. В хозяйственно-фекальных стоках, как правило, много азота и фосфора, в производственных – углерода, поэтому их смешение часто обеспечивает более оптимальное соотношение C : N, C : P, необходимое для нормальной работы биологической стадии очистки.

Локальные очистные сооружения (ЛОС) малых хозяйств, домохозяйств используются для очистки коммунально-бытовых стоков, когда жилые застройки ввиду своего размещения не могут быть подключены к центральным канализационным сетям и очистным сооружениям.

Производственные локальные очистные сооружения (ЛОС) используются, если сточные воды содержат специфические агрессивные или биотоксичные загрязнения, не допускающие смешения различных стоков, или ценные компоненты, которые могут быть извлечены из промышленных стоков. Затраты на очистку такого стока в общих очистных сооружениях гораздо выше, чем в локальных. На ЛОС происходит удаление основной массы загрязнений, что позволяет затем направить стоки на общепроизводственные очистные сооружения. В зависимости от принимаемых схем очистки локальные сооружения могут быть как последней стадией очистки для промышленных стоков, так и промежуточной – перед направлением стоков на биологическую очистку.

Рис. 1.3. Обобщенная схема организации очистки сточных вод

Обработка производственных сточных вод в общем случае включает подготовительную очистку, извлечение примесей, деструктивную очистку.

Задача подготовительной очистки – подготовка сточных вод для обеспечения возможности их транспортирования и дальнейшей очистки. С этой целью используются:

усреднение сточных вод – часто в емкости-усреднителе с мешалками

иаэрацией воздухом. Размеры емкости-усреднителя и соответственно время пребывания сточной воды (время гидравлического удерживания) составляет обычно 18–24 ч. Для предотвращения распространения неприятных запахов эти емкости могут быть в закрытом исполнении

иоборудоваться биофильтром для очистки воздуха (см. гл. 2, с. 286);

нейтрализация сточных вод – обычно известковым молоком для кислых вод, раствором HCl, H2SO4 или CO2 – для щелочных. Наиболее удачные решения такие, при которых для нейтрализации используются отходы производства, или при смешивании в усреднителе стоков с разным pH;

охлаждение горячих вод, удаление взрывоопасных газов и другие процедуры.

Для извлечения примесей используются любые методы очистки, сопровождающиеся выделением загрязнений из воды в виде твердой, жидкой или газообразной фазы. В регенеративных методах извлекаемые примеси возвращаются в производство как ценный продукт. Примеры методов для удаления примесей:

осаждение взвесей в отстойниках; центрифугирование и седиментация взвешенных примесей с удельным

весом более 1 г/см3 под действием центробежных сил в открытых и напорных гидроциклонах; удаление свободно плавающих примесей в нефтеловушках, жироловушках и т. п.;

удаление масел, нефтепродуктов и примесей путем седиментации и сорбции в нефтеловушках; флотационное и электрофлотационное удаление примесей, легко обра-

зующих устойчивую пену с пузырьками воздуха, например жира из стоков молокозаводов; экстракционное извлечение фенола из сточных вод органическими рас-

творителями при содержании его в стоках >1000 мг/л; адсорбция примесей на активированном угле, ионообменных смолах, спе-

циальных сорбентах, а также глине, торфе, опилках, коре, золе и т. п.; контактная фильтрация через слой песка или другие материалы с использованием быстрых фильтров, динамических фильтров для удаления тонких взвесей, фосфатов, клеток микроорганизмов; фильтрование через нейтрализующие материалы: известняк, доломит, магнезит, обожженный магнезит, мел и т. п.;

фильтрование через тканевые материалы для удаления грибного мицелия из сточных вод производства антибиотиков;

реагентная обработка коагулянтами на основе солей Fe3+, Al3+, гидроксихлорида и оксихлорида алюминия, известью, полимерными флокулянтами с последующей седиментацией сорбированных примесей: при водоподготовке питьевой воды; как самостоятельный метод очистки при обработке токсичных стоков, например гальванических производств; при доочистке сточных вод после биологической очистки; для улучшения седиментационных свойств активного ила при его отстаивании во вторичных отстойниках; для удаления части загрязнений на стадии предочистки сточных вод перед биологической очисткой. Коагуляция и флокуляция загрязнений на стадии предочистки позволяет снизить энергозатраты на биологическую очистку, уменьшить биотоксичность стоков, объем аэротенков; химическое осаждение, например, цианидов ионами Fe2+, тяжелых металлов известью, фосфатов солями железа, алюминия, кальция, известью; электрокоагуляция, гальванокоагуляция примесей с использованием электрохимического растворения металлов, например, для удаления фосфатов, тяжелых металлов, нефтепродуктов;

аэрация с целью десорбции таких газов, как H2S, NH3, CO2, SO2, и легкокипящих органических растворителей из жидкости при продувке ее воздухом; эвапорация – десорбция газов и легколетучих веществ из сточной воды и переход их во вводимый в воду острый пар, например, для извлечения фенола, аммиака;

термическое упаривание, дистилляция, сушка;

мембранное разделение: микрофильтрация взвесей и коллоидов; ультрафильтрация для извлечения высокомолекулярных растворимых компонентов; обратный осмос для деминерализации воды;

магнитная, ультразвуковая обработка и другие методы, известные по использованию в различных технологических процессах.

Среди всех методов извлечения примесей наиболее важна механическая очистка, предназначенная для задержания нерастворенных примесей и используемая на первых стадиях практически всех схем очистки. К сооружениям механической очистки относятся: решетки и сита (для задержания крупных примесей), песколовки (для улавливания минеральных примесей, песка), отстойники и ловушки (для медленно оседающих и плавающих примесей) и фильтры (для мелких нерастворенных примесей).

Остаточное содержание загрязнений в сточных водах после извлечения примесей обычно еще велико (десятки–сотни мг/л), поэтому дальнейшую очистку воды проводят одним из методов деструкции с переводом загрязнений в безвредные соединения.

Методы деструктивной очистки связаны с разрушением загрязнений окислением или восстановлением до безвредных веществ и удалением части продуктов реакции в виде осадков или газов. Для разрушения используются:

биологическая (биохимическая) очистка (окисление, восстановление, деструкция, трансформация);

химическое окисление, например, цианистых соединений «активным хлором», серосодержащих соединений — пероксидом водорода, реактивом Фентона (H2O2 + Fe2+), фенолов, нефтепродуктов, красителей, синтетических ПАВ, хинонов, гидрохинонов и других соединений — озоном;

химическое восстановление водородом – для обесцвечивания окрашенных сточных вод предприятий текстильной промышленности (восстановление азокрасителей);

термическая деструкция (сжигание);

жидкофазное окисление загрязнений воздухом в нагретой сточной воде или в осадке сточных вод при температуре до 150 °С и давлении 0,5–1 МПа;

окисление при сверхкритических параметрах при температуре 370–420 °C и давлении 20–25 МПа;

фотокаталитическое окисление стойких поллютантов (нефтепродуктов, ПАУ, хлорорганических соединений, цианидов и др.) под действием ультрафиолета в присутствии TiO2, O3, H2O2;

окисление осадков и избыточного активного ила в условиях аэрозольного катализа;

адсорбционно-каталитическое окисление; электрохимическое окисление и другие способы обработки сточной воды.

Многие из методов химической очистки сточных вод трудоемки и недостаточно эффективны. Методы очистки стоков, основанные на сжигании, дистилляции, термической деструкции, энергозатратны, требуют значительных капиталовложений и нежелательны с экологической точки зрения, так как приводят к значительным выбросам в атмосферу диоксида углерода, оксидов азота и других загрязнений.

В типичной схеме очистки можно выделить три стадии.

Первичная очистка. В ходе ее из воды извлекают крупный мусор, крупнодисперсные примеси и взвешенные вещества механическим способом: на решетках, в песколовках, отстойниках, а также в гидроциклонах, флотационных установках и других сооружениях. Поверхностные загрязнения удаляют отстойниками, нефтеловушками, бензомаслоуловителями, жироловками, смолоуловителями и т. п.

Вторичная очистка. На этой стадии осуществляется разложение содержащихся в сточных водах органических веществ, наиболее часто биологической деструкцией под действием микроорганизмов.

Типичные данные по эффективности первичной и вторичной очистки приведены в табл. 1.8.

Таблица 1.8.

Показатели эффективности методов первичной и вторичной очистки

При первичной и вторичной очистке типичные производственные и хо- зяйственно-бытовые стоки не полностью освобождаются от органических и взвешенных веществ, содержат избыточные количества азота и фосфора, поэтому возникает необходимость их доочистки – третичной очистки (глубокой доочистки). На этой стадии осуществляют физическую, химическую или биологическую обработку сточных вод, при которой из них удаляют неорганические загрязняющие вещества, биогенные элементы (азот, фосфор) и бионеразлагаемые органические соединения. Наиболее широко используемые физические и химические способы третичной очистки для удаления взвешенных веществ – осветление в полочных отстойниках, фильтрование через зернистые загрузки, микрофильтрация, пенная флотация; растворимых соединений – адсорбция органических веществ на активированных углях, реагентная обработка флокулянтами и коагулянтами, озонирование в сочетании с фильтрацией; для обезвреживания патогенной микрофлоры и гельминтов – обеззараживание (дезинфекция) воды.