7.4. Очистка сточных вод

По данным Гостехнадзора России, не отвечает санитарным нормам около 50 % поверхностных и 20 % подземных источников питьевого водоснабжения. В то же время в РФ ежегодно сбрасывается в водоемы 56,5 млрд м³ неочищенных и слабоочищенных сточных вод. Из них полную очистку проходят только лишь 13 % сбрасываемых сточных вод (50 млрд м³), что связано с отсутствием очистных сооружений, а существующие устарели физически (стат.отчет, 2009). Строительство же новых очистных сооружений большой мощности осуществляется редко. На сегодняшний день около 1,4 млрд жителей планеты испытывают недостаток питьевой воды. В 43 странах получают воду в объеме ниже минимальных потребностей, в 39 странах основная часть необходимой питьевой воды импортируется из-за границы.

В зависимости от типа процессов, протекающих в очистных сооружениях, различают механическую, физико-химическую и биологическую очистку сточных вод. На очистных сооружениях формируются большие массы осадков, которые необходимо последовательно подготавливать для дальнейшего использования: их обезвоживают, обезвреживают, обеззараживают и сушат. При необходимости сточные воды, прошедшие полную биологическую очистку, подвергают доочистке. После очистки, перед сбросом в водоём сточные воды должны обеззараживаться в целях уничтожения патогенных микроорганизмов.

Механическая очистка предназначена для задержания нерастворённых в воде твердых примесей. К сооружениям для механической очистки относятся: решётки и сита (для задержания крупных примесей), песколовки (для улавливания минеральных примесей и песка), отстойники (для медленно оседающих и плавающих примесей) и фильтры (для мелких нерастворённых примесей). Специфические загрязнения производственных сточных вод удаляются с помощью жироловок, нефтеловушек, масло- и смолоуловителей и т.д.

Очистные сооружения по высоте располагаются таким образом, чтобы вода из одного сооружения в другое поступала самотёком. Механическая очистка – это, как правило, предварительная ступень очищения перед биологической очисткой.

В некоторых случаях ограничиваются только механической очисткой: например, когда небольшое количество сточных вод сбрасывается в мощный водоём или вода после механической очистки повторно используется на предприятии в технологическом процессе. При механической очистке удаётся задерживать до 60–80 % нерастворённых примесей (рис. 7.16).

Сточная вода

Дренажная вода Выпуск

Рис. 7.16. Технологическая схема очистной станции с механической чисткой сточных вод

Физико-химические методы очистки применяются в основном для производственных сточных вод.

В настоящее время в связи с использованием оборотных систем водоснабжения существенно увеличивается применение физико-химических методов очистки сточных вод, основными из которых являются флотация, экстракция, нейтрализация, сорбция, ионообменная и электрохимическая очистка, гиперфильтрация, эвапорация, выпаривание, испарение и кристаллизация.

Флотация предназначена для интенсификации процесса всплывания маслопродуктов при обволакивании их частиц пузырьками газа, подаваемого в сточную воду. В основе этого процесса имеет место молекулярное слипание частиц масла и пузырьков диспергированного в воде газа. Образование агрегатов «частица – пузырьки газа» зависят от интенсивности их столкновения друг с другом, химического взаимодействия содержащихся в воде веществ, избыточного давления газа в сточной воде и т.д.

В зависимости от способа образования пузырьков газа различают следующие виды флотации: напорную, пневматическую, пенную, химическую, вибрационную, биологическую, элетрофлотацию и т.д.

В настоящее время на станциях очистки широко используют электрофлотацию, так как при этом электрохимические процессы обеспечивают дополнительное обеззараживание сточных вод. Кроме того, применение для электрофлотации алюминиевых или стальных элетрофильтров обусловливает переход ионов алюминия или железа в раствор, что способствует коагулированию мельчайших частиц механических примесей сточной воды.

Образование дисперсной газовой фазы в процессе электрофлотации происходит вследствие электролиза воды. Основной составляющей электролизных газов является водород; при этом выделяется незначительное количество кислорода, хлора, оксидов углерода и азота.

При расчете электрофлотатера определяют расход газа, необходимого для обеспечения заданной эффективности очистки (q_г),

q_Г = 100  Q (С₀ – С_К )  6М,

где С₀ и С_К – концентрация маслопродуктов в исходной и очищенной сточной воде, кг/м³;

М – удельная адсорбция маслопродуктов газовой фазой, л/кг;

Q – расход сточной воды, м³.

Затем находят силу тока для получения требуемого количества электролизного газа

I = q_Г / а_Г,

где а_Г – выход газа по току;

а_Г = 0,0076 дм³/(л·мин).

Расход водорода (дм³/мин) в смеси элетролизного газа

q_H2 = 22,4·q_Г ·а_Н / (а_Г·М_Нг),

где а_Н – электрохимический эквивалент водорода;

а_Н = 0,627 мг/(А·мин);

М_Н2 – молекулярная масса водорода. Задают расход подаваемого под границу раздела «сточная вода – воздух рабочей зоны» в камере флотации, исходя из соотношения q_в 50q_Нг, и определяют суммарный расход газовоздушной смеси, выходящей через открытую поверхность флотатора q_гсм = q_Г + q_В. Выбирают удельный расход газовоздушной смеси через поверхность пенообразования  = = 300–600 дм³/(м³·мин) и определяют площадь поверхности пенообразования f = q_ГСМ/^.

Затем уже определяют объемную плотность тока (А/м³), обеспечивающую необходимую величину газонаполнения

I = (ф + 0,261·К_ф + 0,1) / (0,022- 0,011·К_ф),

где ф – степень газонаполнения сточной воды в процессе флотации:

ф = 1– 5 дм³/м³;

К_ф = 0,3–1,2 – коэффициент формы флотационной камеры.

Находят объем и площадь поперечного сечения флотационной камеры

V = I / i,

где I – ток; i – объемная плотность тока;

и затем основные размеры камеры.

Для очищения сточных вод можно использовать процесс ацидофикации, который используется в Великом Новгороде для очистки городских сточных вод. При внедрении этого процесса степень извлечения органики из сырого осадка увеличился по ХПК на 38 %, по уксусной кислоте – на 60,4 %, пропионовой кислоте – на 42,8 %, масленой – на 60,9 %. Кроме того, при использовании технологии азидофикации сырого осадка концентрация общего азота в очищенных сточных водах снижается на 9,7 т в месяц, нитратов – на 42,5 т (эффективность очистки возросла на 21,7 %), снизился сброс фосфора на 1,1 т (эффективность повысилась на 11,8 %), на 6,7 т уменьшилось количество взвешенных веществ, утверждают Н.С. Жмур [и др.] (2007).

Экстракция сточных вод основана на перераспределении примесей сточных вод в смеси двух взаимно нерастворимых жидкостей (сточной воды и экстрагента). Количественно и интенсивность перераспределения оценивается коэффициентом экстракции К_Э=С_Э / С_В, где С_Э и С_В – концентрация примеси в экстрагенте и сточной воде по окончании процесса экстракции. В частности, при очистке сточных вод от фенола с использованием в качестве экстрагента бензола или бутилацетата К_Э составляет соответственно 2–4–8–12. Для интенсификации процесса экстракции перемешивание смеси сточных вод с экстрагентом осуществляют в экстракционных колоннах, заполненных насадками из колец Рашига.

Нейтрализация сточных вод предназначена для выделения из них кислот, щелочей, а также солей металлов на основе кислот и щелочей. Процесс нейтрализации основан на объединении ионов водорода и гидроксильной группы в молекулу воды, в результате чего сточная вода приобретает значение РН  6,7 (близкая нейтральной). Нейтрализацию кислот и их солей осуществляют щелочами и солями сильных щелочей: едким натрием, едким калием, известью, известняком, доломитом, мрамором, мелом, магнезитом, содой, отходами щелочей и т.д.

Для нейтрализации сточных вод с содержанием щелочей и их солей можно использовать серную и соляную, азотную, фосфорную и другие кислоты. Расход щелочей (кислот) для нейтрализации содержащихся в сточных водах кислот (щелочей) определяют в соответствии с уравнениями реакций нейтрализации по формуле

q = C · М_Э / М_К,

где С – концентрация кислоты (щелочи) или их солей в сточной воде;

М_Э и М_К – молекулярные массы щелочи (кислоты) и кислоты (щелочи) или их солей.

На практике используют три способа нейтрализации сточных вод:

1) фильтрационный – путем фильтрации сточной воды через насадки кусковых или зернистых материалов;

2) водно-реагентный – c добавлением в сточную воду реагента в виде раствора или сухого вещества (извести, соды или шлака); нейтрализующим раствором может быть и щелочная сточная вода;

3) полусухой – перемешивание высококонцентрированных сточных вод (например, отработанного гальванического раствора) с сухим реагентом (известью или шлаком) с последующим образованием нейтральной тестообразной массы.

Сорбцию применяют для очистки сточных вод от растворимых примесей. В качестве сорбентов используют любые мелкодисперсные материалы (золу, торф, опилки, шлаки, глину); наиболее эффективный сорбент – активированный уголь. Расход сорбента определяют по формуле

m = Q·(C₀ – C_K ) / a,

где Q – расход сточной воды, м³/с;

С₀ и С_К – концентрация примесей в исходной и очищенной сточной воде, кг/м³;

а – удельная сорбция, характеризующая количество примесей, поглощаемых с единицей массы сорбента, кг/с.

Для очистки сточных вод пищевых предприятий предлагается использовать побочный продукт травления сплавов алюминия. В настоящее время данный продукт никак не используется и накапливается на полигонах ТБО, загрязняя окружающую среду. С одной стороны, он является замутнителем, частицы которого играют роль дополнительных центров конденсации продуктов гидролиза, способствует ускорению коагуляции примесей при очистке маломутных вод, утяжелению образующихся хлопьев коагулированной взвеси, увеличению их гидравлической крупности. С другой стороны, из сточных вод сорбируются растворенные примеси, повышается качество очистки и облегчаются условия коагуляции. В зависимости от применяемой схемы степень очистки вод достигает до 90–97 %, снижение БПК_полн – до 65–70 %, отмечает С.Б. Зуева (2009).

Перспективным материалом для очистки сточных вод от нефтяных загрязнений, по мнению С.А. Писаревой [и др.] (2009), является оксигидрат железа (F+³) . В качестве исходного продукта для получения такого сорбента может быть использован минеральный осадок, образующийся в процессе очистки артезианской воды, в котором содержится большое количество закисного железа. В этом случае происходит очищение воды от вредных примесей, которые негативно воздействуют на здоровье человека.

Ионообменную очистку применяют для обессоливания и очистки сточных вод от ионов металлов и других примесей. Очистку осуществляют ионитами – синтетическими ионообменными смолами, изготовленными в виде гранул размером 0,2–2 мм. Иониты изготовляют из нерастворимых в воде полимерных веществ, имеющих на своей поверхности подвижный ион (катион или анион), который при определенных условиях вступает в реакцию обмена с ионами того же знака, содержащимися в сточной воде.

Ионообменную очистку реализуют последовательным фильтрованием сточной воды через катиониты и иониты. При контакте сточной воды с катионом в водородной форме имеет место обмен катионов растворенных в воде солей на катиониты водорода (Н⁺).

n [K]H + Me⁺⁺ [K]_n Meⁿ⁺ + nH⁺,

где К– радикал катионита;

Ме – извлекаемый из сточной воды металл;

n – заряд катиона.

Примерно таким же путем протекает реакция с ионитами.

В зависимости от вида и концентрации примесей в сточной воде, требуемой эффективности очистки используют различные схемы ионообменных установок. Для очистки сточных вод от ионитов сильных кислот применяют технологическую схему одноступенчатого Н-катионирования и ОН-анионирования с использованием сильнокислотного катионита и слабоосновного анионита. Для более глубокой очистки вод, в том числе от солей, применяют одно- или двухступенчатое Н-катионирование на сильнокислотном катионите с последующим двухступенчатым ОН-анионированием на слабо-, а затем на сильноосновном анионите.

При содержании в сточной воде большого количества диоксида углерода и его солей происходит быстрое истощение емкости сильноосновного анионита. Для уменьшения истощения сточную воду после катионитного фильтра дегазируют в специальных дегазаторах с насадкой колец Рашига или других аппаратах.

Электрохимическая очистка, в частности электрохимическое окисление, осуществляется электролизом и реализуется двумя путями: непосредственно на поверхности анода или через вещество – переносчика, а также в результате взаимодействия с сильными окислителями, образовавшимися в процессе электролиза. Наличие в воде достаточного количества хлоридионов обусловливает появление в ней при электролизе активного хлора (Cl₂, HOCl, ClO, ClO^-, ClO₃), который является сильнейшим окислителем и способен вызывать глубокую деструкцию многих органических веществ, содержащихся в сточных водах.

Электрохимическое окисление применяют для очистки сточных вод гальванических процессов, содержащих простые циониды (KCCl, NaCCl) или комплексные цианиды цинка, меди, железа и других металлов. Электрохимическое окисление осуществляют в электролизах (обычно прямой формы) непрерывного или периодического действия. На аноде происходит окисление цианидов в малотоксичные и нетоксичные продукты (цианиды, карбоматы, диоксид углерода, азота), а на катоде – разряд ионов водорода с образованием газообразного водорода и разряд ионов меди, цинка кадмия, образующихся при диссоциации комплексных анионов с содержанием CN-группы.

Гиперфильтрация (обратный осмос) реализуется разделением растворов путем фильтрования их через мембраны, поры которых размером 1 нм пропускают молекулы воды, задерживая гидратированные ионы солей или молекулы недиссоциированных соединений. По сравнению с другими методами очистки гиперфильтрация не требует больших затрат электроэнергии: установки для очистки конструктивно просты и компактны, легко автоматизируются; фильтрат имеет высокую степень чистоты и может быть использован в оборотных системах водоснабжения, а сконцентрированные примеси сточных вод легко утилизируются или уничтожаются.

Перенос воды и растворенного вещества через мембрану оценивается уравнениями:

Q = k_i · (P_Р –P); F = k₂ ·C,

где Q – расход воды через мембрану, м³/с;

k_i, k₂ – коэффициенты проницаемости соответственно воды и растворенного вещества через конкретную мембрану;

Р_Р – рабочее давление на входе в мембрану, Па;

Р – разность осмотических давлений раствора на входе в мембрану, Па;

С – разность концентраций растворенного в воде вещества на входе в мембрану и выходе из нее, кг/м³;

F – масса растворенного вещества, переносимого через мембрану, кг.

Для гиперфильтрации используют ацетатцеллюлозные, полиамидные и тому подобные полимерные мембраны с ресурсом работы 1–2 года.

Эвапорация реализуется обработкой паром сточной воды с содержанием летучих органических веществ, которые переходят в паровую фазу и вместе с паром удаляются из сточной воды. Процесс эвапорации осуществляют в испарительных установках, в которых при протекании через эвапорационную колонну с насадками из колец Рашига вода, подаваемая навстречу потоку острого пара, нагревается до температуры кипения (100⁰С). При этом содержащиеся в сточной воде летучие примеси переходят в паровую фазу и распределяются между двумя фазами (паром и водой) в соответствии с уравнением С_п /С_в – Y, где С_п и С_в – концентрации примесей в паре и сточной воде, кг/м³; Y – коэффициент распределения. Для аммиака, этиламина, диэтиламина, анилина, фенола, содержащихся в сточной воде, коэффициент распределения соответственно равен 13, 20, 43, 5,5 и 2. Концентрация примеси в сточной воде на выходе из эвапорационной колонны определяется по формуле

С_В = С₀·(q·Y – 1) / (q·Ye^x – 1),

где С₀ – концентрация примеси в исходной сточной воде, кг/м³;

q – удельный расход пара, кг/кг;

х = [p··H· (q·Y-1)] / (b·Ye),

где b,q,Y – эмпирические постоянные насадки;

b – плотность орошения колонны водой, м³/м²;

р – эмпирически постоянная, м/с;

 – удельная площадь поверхности насадки, м³/м²;

Ye – коэффициент распределения;

Q – расход пара, м³;

Н – высота слоя насадки, м.

Выпаривание, испарение и кристаллизацию используют для очистки небольших объемов сточной воды с большим содержанием летучих веществ. Наибольшее распространение получили методы реагентной очистки с применением коагулянтов, в качестве которых используют серно-кислый алюминий Al₂(SO₄)₃ , хлорное железо FeCl₃, сернокислое железо Fe(SO₄)₃, известь CaCO₃ и другие. Соли-коагулянты способствуют укрупнению частиц, образуя хлопья, что даёт возможность для дальнейшего осаждения и фильтрования мелких нерастворённых, коллоидных и частично растворённых примесей.

В ряде случаев физико-химическая очистка обеспечивает такое глубокое удаление загрязнителей, что последующая биологическая очистка не всегда требуется (рис. 7.17).

Сточная вода

Решётка

Дробилка

Склад реагента

Песколовка

Песковые площадки

Приготовление

и дозировка

реагента

Смеситель

Обезвоживание и сушка осадка

Отстойники

Фильтрование

Хлораторная

Контактный

резервуар

Выпуск

Рис. 7.17. Технологическая схема очистных станций с физико-химической

очисткой сточных вод (по Л.М. Цветковой [и др.], 1999)