Инженерная экология. Часть 4. Основы экологии производства. Учебное пособие

творимых стальных или алюминиевых анодов. Под действием тока металл растворяется, в результате чего в воду переходят катионы железа илиалюминия, которые, встречаясьсгидроксильнымигруппами, образуют гидроксиды металлов, например Fe(OH)3, Al(OH)3 в виде хлопьев. Наступает интенсивная коагуляция.

Достоинства метода электрокоагуляции: компактность установок

ипростота управления, отсутствие потребности в реагентах, малая чувствительность к изменениям условий проведения процесса очистки (температура, рН среды, присутствие токсичных веществ), получение шлама с хорошими структурно-механическими свойствами. Недостаток метода – повышенный расход металла и электроэнергии. Электрокоагуляция находит применение в пищевой, химической и целлюлозно-бумажной промышленности.

Электрокоагуляционную очистку сточных вод можно использовать для очистки от эмульсий нефтепродуктов, масел, жиров (электрокоагуляторпредставляетсобойваннусэлектродами). Эффективностьочистки отнефтепродуктовсоставляет: отмасел– 54...68 %, отжиров– 92...99 % при удельном расходе электроэнергии 0,2 ... 3,0 Вт·ч/м3 [11].

Электрофлотация. В этом процессе очистка сточных вод от взвешенных частиц проходит при помощи пузырьков газа, образующихся при электролизе воды. На аноде возникают пузырьки кислорода, а на катоде – пузырьки водорода. Поднимаясь в сточной воде, эти пузырьки флотируют взвешенные частицы. При использовании растворимых электродов происходит образование хлопьев коагулянтов и пузырьков газа, что способствует более эффективной флотации.

Основную роль при электрофлотации играют пузырьки, образующиеся на катоде. Размер пузырьков водорода значительно меньше, чем при других методах флотации. Он зависит от краевого угла смачивания

икривизны поверхности электродов. Диаметр пузырьков меняется от 20 до 100 мкм. Мелкие пузырьки водорода обладают большей растворимостью, чем крупные. Из пересыщенных растворов мельчайшие пузырьки выделяются на поверхности частичек загрязнений и тем самым способствуют эффекту флотации.

Кпреимуществам процесса электрофлотации относятся эффективность, простота регулировки, небольшие габариты, высокая плотность осадка, простота эксплуатации.

71

ТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Термические методы основаны на использовании высокотемпературных процессов. Эти методы – концентрирование сточных вод, термоокислительные методы, огневое обезвреживание и т. д. – используют для очистки сточных вод, содержащих различные минеральные соли (кальция, магния, натрия и т. д.), а также органические вещества [11].

Концентрирование сточных вод в основном используют для обез-

вреживания минеральных сточных вод. Этот метод позволяет выделять из стоков соли с получением условно чистой воды, пригодной для оборотного водоснабжения.

Концентрирование сточных вод может быть проведено в испарительных (выпарные, адиабатные), вымораживающих (вакуумные, с холодильным агрегатом) и кристаллогидратных (холодильные, теплоиспользующие) установках непрерывного и периодического действия. В промышленности наиболее распространены выпарные установки концентрирования растворов. Для этой цели используют одноступенчатые и многоступенчатые выпарные установки с выпарными аппаратами различной конструкции.

Выпарные установки состоят из основных элементов – выпарных аппаратов (испарителей) и вспомогательного оборудования – конденсаторов, самоиспарителей, теплообменников, насосов и т. п.

Выпаривание является энергоемким процессом. Энергия, затрачиваемая на выпаривание, складывается из энергии на нагрев сточной воды до температуры испарения и т. д.

Термоокислительные методы используют для обезвреживания сточных вод с большим количеством органических веществ.

По теплотворной способности химические промышленные стоки разделяют на сточные воды, способные гореть самостоятельно, и на воды, для термоокислительного обезвреживания которых необходимо добавлять топливо. Последние имеют энтальпию ниже 8400 кДж/кг.

При использовании термоокислительных методов все органические вещества, загрязняющие сточные воды, полностью окисляются кислородом воздуха при высоких температурах до нетоксичных соединений. К этим методам относят метод жидкофазного окисления, метод парофазного каталитического окисления и пламенный, или огневой, метод.

Эффективность процесса окисления увеличивается с повышением температуры. Летучие вещества при условиях процесса окисляются в

72

основном в парогазовой фазе, а нелетучие – в жидкой фазе. С увеличением концентрации органических примесей в воде экономичность процесса жидкофазного окисления возрастает.

Метод жидкофазного окисления. Этот метод очистки основан на окисленииорганическихвеществ, растворенныхвводе, кислородомпри температурах 100...350 ºС и давлениях 2...28 МПа (1 Па = 0,802 кгс/ м2 = 1,333 мм рт. ст.). При высоких давлениях растворимость в воде кислорода значительно возрастает, что способствует ускорению процесса окисления органических веществ.

Достоинства метода: возможность очистки большого объема сточных вод без предварительного концентрирования, отсутствие в продуктах окисления вредных органических веществ, легкость комбинирования с другими методами, безопасность в работе. Среди недостатков следует указать неполное окисление некоторых химических веществ, значительную стоимость оборудования установки и высокую коррозию оборудования в кислых средах.

Методпарофазногокаталитическогоокисления. Восновеметода находится гетерогенное каталитическое окисление кислородом воздуха при высокой температуре летучих органических веществ, находящихся в промышленных сточных водах.

Процесспротекаетвесьмаинтенсивновпаровойфазевприсутствии медно-хромового, цинк-хромового, медно-марганцевогоилидругогока- тализатора.

Этот метод характеризуется высокой производительностью при очисткесточнойводыивысокойстепеньюобезвреживания, достигающей 99,8 %. Основной недостаток установки кроется в возможности отравлениякатализаторовсоединениямифосфора, фтора, серы. Поэтомунеобходимо предварительное удаление каталитических ядов из сточных вод.

Огневой метод. Этот метод обезвреживания сточных вод является наиболее эффективным и универсальным из термических методов. Сущность его заключается в распылении сточных вод непосредственно в топочные газы, нагретые до 900...1000 ºС. При этом вода полностью испаряется, а органические примеси сгорают.

Огневой метод нецелесообразно применять для обезвреживания сточных вод, содержащих только минеральные вещества. Метод может быть использован также для обезвреживания небольшого объема сточных вод, содержащих высокотоксичные органические вещества, очистка от которых другими методами невозможна или неэффективна.

73

Впроцессах обезвреживания сточных вод различного состава могут образовываться оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов

(CaO, MgO, BaO, K2O, Na2O и др.). Органические соединения, содержащие серу, фосфор и галогениды, могут образовывать SО2, SО3, Р2О5, HCl, Cl2 и др. Из сточных вод, содержащих нитросоединения, при высоких температурах могут выделяться оксиды азота: NO, NO2, N2O3, N2O5

ит. д.). Для улавливания аэрозольных частиц и газов необходима система очистки технологических газов.

Взависимости от концентрации и состава сточных вод используют печи различной конструкции: камерные, шахтные, циклонные и с псевдоожиженным слоем.

Наиболее эффективны циклонные печи. В них благодаря вихревому характеру газового потока создается интенсивный тепло- и массообмен между каплями сточной воды и газообразными продуктами. Такие печи работают при больших удельных нагрузках. Применяют разнообразные горизонтальные и вертикальные циклонные камеры. Схема печи для сжигания горючих отходов показана на рис. 19.

Рис. 19. Циклонная печь:

1 – воздуходувка; 2 – питающее устройство

Воздух, тангенциально вводимый в печь, совершает вращательное движение, перемещаясь по спирали вдоль оси цилиндра. Сточную воду распыляют форсункой и сжигают. Недостаток таких печей – большой унос солей с газовым потоком.

74

Для сжигания сточных вод могут быть использованы установки, имеющие различные схемы:

•без рекуперации тепла и очистки газов;

•без рекуперации тепла с очисткой газов;

•с рекуперацией тепла без очистки газов;

•с рекуперацией тепла и очисткой газов.

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

Биологическая очистка сточных вод основана на биохимических процессах с участием микроорганизмов, которые в процессе своей жизнедеятельностиразрушаюторганическиесоединения(кислоты, спирты, белки, углеводы и т. д.). Микроорганизмы используют органические вещества в качестве источника питательных веществ и энергии [16].

Необходимые для жизнедеятельности микроорганизмов азот, фосфор, калий они получают из различных соединений: азот – из аммиака, нитратов, аминокислот и других азотосодержащих соединений (некоторые микроорганизмы – азотобактерии – могут использовать азот из воздуха), фосфор и калий – из минеральных солей этих веществ. В процессе питания микроорганизмов происходит прирост их массы.

Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших и ряд более высокоорганизованных организмов – водорослей, грибов и других водных организмов.

Биологическоеокисление можетпроисходить в аэробных и анаэробных условиях.

Очисткаанаэробнымспособом, т. е. бездоступакислородавоздуха, происходит в метантанках – резервуарах закрытого типа, содержащих анаэробный ил в интервале температур 20...60 °С [1]. В этом иле содержатсяразличныегруппымикроорганизмов, осуществляющихпроцессы брожения.

Аэробная очистка осуществляется организмами, нуждающимися в свободномкислородевоздуха, и происходит какв естественныхусловиях(водоемах, окислительныхпрудах, наполяхорошения), такивискусственных сооружениях (в аэротенках различных систем, аэрофильтрах, биофильтрах).

75

Наибольшее распространение получили аэробные методы биологической очистки.

Эффективность процессов биологической очистки сточных вод зависит от следующих факторов [1].

Температура. Оптимальной температурой для аэробных процессов, происходящих в очистных сооружениях, считается 20...30 °С, при этом биоценоз при прочих благоприятных условиях представлен наиболее разнообразными и хорошо развитыми микроорганизмами.

Реакция среды. Концентрация водородных ионов существенно влияет на развитие микроорганизмов. Значительная часть бактерий развивается лучше всего в среде нейтральной или близкой к ней, однако есть виды, хорошо растущие в кислородной среде с рН 4...6 (грибы, дрожжи) или, наоборот, в слабощелочной среде (актиномицеты).

Биологическаяочистканаиболееэффективна, еслирНневыходитза пределы 5...9, оптимальной считается среда с рН 6,5...7,5.

Биогенные элементы. Для нормального процесса синтеза клеточноговещества, аследовательно, идляэффективногопроцессаочистки воды в среде должна быть достаточная концентрация всех основных элементов питания – органического углерода, уровень которого определяется по величине биологического потребления кислорода (БПК), азота, фосфора.

Кроме основных элементов состава клетки (С, N, О, Н) для ее построения необходимы в незначительных количествах и другие компоненты: марганец, медь, цинк, молибден, селен, магний, кобальт, кальций, натрий, калий, железо, карбонат-ион и т. д. Содержание указанных элементов в природных водах, из которых затем образуются сточные воды, обычно достаточно, чтобы полностью удовлетворить требованиям бактериального метаболизма. Азота и фосфора часто не хватает, и их добавляютискусственноввидесуперфосфата, ортофосфорнойкислоты, аммофоса, сульфата, нитрата или хлорида аммония, мочевины и т. п.

Уровеньпитания. Замерууровняпитанияпринимаютвеличинусуточной нагрузки по загрязнениям в расчете на 1 м3 очистного сооружения или на 1 г сухой биомассы.

Кислородный режим. В аэробных биологических системах подача воздуха (а также чистого кислорода или воздуха, обогащенного кислородом) должна обеспечивать постоянное наличие в смеси растворенного кислорода не ниже 2 мг/дм3. Система аэрации должна обеспечивать

76

также постоянное поддержание ила во взвешенном состоянии. Токсичные вещества. Токсичным действием на биологические

процессы могут обладать как органические, так и неорганические вещества. Токсичное действие может быть и микробостатическим, если задерживаетсяростиразвитиемикроорганизмов, иубивающим(микробоцидным). Большинство веществ оказывают то или иное действие в зависимости от концентрации их в очищаемой смеси.

Биохимический процесс очистки может протекать как в естественных условиях (поля орошения и фильтрации, биологические пруды), так и в искусственно созданных (аэротенки, биофильтры).

Биологическая очистка в природных условиях

Вестественных условиях очистка происходит на полях орошения, полях фильтрации и биологических прудах. Искусственными сооружениями являются аэротенки и биофильтры разной конструкции [11].

Поля орошения – это специально подготовленные земельные участки, используемые одновременно для очищения сточных вод и агрокультурных целей. Очистка сточных вод в этих условиях идет под действием микрофлоры, солнца, воздуха и под влиянием жизнедеятельности растений.

Впочве полей орошения находятся бактерии, актиномицеты, дрожжи, грибы, водоросли, простейшие и беспозвоночные животные.

Всточных водах содержатся в основном бактерии. В смешанных биоценозах активного слоя почвы возникают сложные взаимодействия микроорганизмов симбиотического и конкурентного порядка.

Если на полях не выращиваются сельскохозяйственные культуры и они предназначены только для биологической очистки сточных вод, то их называют полями фильтрации.

Поля фильтрации – это земельные участки, искусственно разделенные на секции, по которым равномерно распределяется сточная вода, фильтрующаяся через поры грунта. Профильтрованная вода собирается в дренажных трубах и канавах и стекает в водоемы.

Впроцессе биологической очистки сточные воды проходят через фильтрующий слой почвы, в котором задерживаются взвешенные и коллоидные частицы, образуя в порах грунта микробиальную пленку. Затем образовавшаяся пленка адсорбирует коллоидные частицы и

77

растворенные в сточных водах вещества. Проникающий из воздуха в поры кислород окисляет органические вещества, превращая их в минеральные соединения. В глубокие слои почвы проникание кислорода затруднено, поэтому более интенсивное окисление происходит в верхних слоях почвы (0,2...0,4 м). При недостатке кислорода в прудах начинают преобладать анаэробные процессы.

Поля орошения лучше устраивать на песчаных, суглинистых и черноземных почвах. Уровень залегания грунтовых вод 1,25 м от поверхности земли. Если грунтовые воды залегают выше этого уровня, то необходимо устраивать дренаж.

Биологические пруды – это специально созданные неглубокие водоемы, где протекают естественные биохимические процессы самоочищения воды в аэробных и анаэробных условиях.

Биологические пруды представляют собой каскад прудов, состоящих из 3–5 ступеней, через которые с небольшой скоростью протекает осветленная или биологически очищенная сточная вода. Пруды предназначеныдлябиологическойочисткиидлядоочисткисточныхводвкомплексе с другими очистными сооружениями. Различают пруды с естественной или искусственной аэрацией. Пруды с естественной аэрацией имеют небольшую глубину (0,5...1 м), хорошо прогреваются солнцем и заселены водными организмами.

Бактерииокисляютзагрязненияспомощьюкислорода, выделяемого водорослями в процессе фотосинтеза, а также из воздуха. Водоросли, в свою очередь, потребляют СО2, фосфаты и аммонийный азот, выделяемые при биохимическом разложении органических веществ. Для нормальной работы необходимо соблюдать оптимальные значения рН и температуру сточных вод. Температура должна быть не менее 6 оС. В зимнее время пруды не работают.

Биологическая очистка в искусственных условиях

Всю совокупность сооружений биологической очистки производственных сточных вод в искусственных условиях целесообразно делить на три группы по признаку расположения в них активной биомассы [1].

Первая группа. Активная биомасса закреплена на неподвижном материале, а сточная вода тонким слоем скользит по материалу загрузки.

78

Вторая группа. Активная масса находится в воде в свободном (взвешенном) состоянии.

Третья группа. Промежуточная группа, сочетающая оба варианта расположения биомассы.

Первуюгруппусооруженийсоставляютбиофильтры, вторую– аэротенки, третью – погружные биофильтры, биотенки с заполнителями.

Вискусственных условиях биологическую очистку проводят в биофильтрах или аэротенках.

Биофильтры– этосооружениядлябиологическойочисткисточных вод, построенные на принципе постепенного прохождения очищаемых масс либо через толщу фильтрующего материала, покрытого активной микробиологической пленкой, либо через пространство, занятое искусственно созданным сообществом организмов-очистителей (например, камышей) [5].

Вбиофильтрах создаются условия для интенсификации естественных биохимических процессов разложения органических веществ. Это резервуары с фильтрующим материалом, дренажем и устройством для растпределения воды. Сточная вода с помощью распределительных устройств периодически разливается по поверхности загрузки, профильтровывается и отводится в отстойник. На поверхности фильтра постепенно созревает биопленка из различных микроорганизмов. Микроорганизмы биопленки адсорбируют и перерабатывают органические вещества, используя их как источники питания и энергии. Таким образом, из сточной воды удаляются органические вещества, а масса активной биопленки увеличивается. Отработанная (омертвевшая) биопленкасмываетсяпротекающейсточнойводойивыноситсяизбиофильтра.

Вкачестве загрузки используют различные материалы с высокой пористостью, малой плотностью и большой удельной поверхностью: щебень, гравий, шлак, керамзит, керамические и пластмассовые кольца, кубы, шары, цилиндры, шестигранные блоки, металлические и пластмассовые сетки, скрученные в рулоны.

По способу поступления воздуха в толщу загрузки биофильтры делят на сооружения с естественной и принужденной подачей воздуха

(рис. 20) [1].

79

Рис. 20. Биофильтры с естественной (А) и принудительной (Б) подачей воздуха:

1 – водоподающие трубы; 2 – водораспределительные устройства; 3 – загрузка; 4 – водоотводящие лотки; 5 – гидравлический затвор; 6 – воздухо-подводящие трубы; 7 – воздухопроницаемые стенки

Наиболеесовершеннымисооружениямидлябиологическойочистки сточных вод (как бытовых, так и промышленных) являются аэротенки.

Аэротенки – это аэрируемые резервуары, представляющие собой открытый бассейн, оборудованный устройствами для принудительной аэрации. Аэрация воды – это обогащение воды кислородом воздуха [15]. Растворимость кислорода в воде мала (зависит от температуры и давления), поэтому для насыщения ее кислородом подают большое количество воздуха. Глубина аэротенков 2...5 м. Процесс очистки в аэротенке идетпомерепротеканиячерезнегоаэрированнойсмесисточнойводыи активного ила. Аэрация необходима для насыщения воды кислородом и поддержания ила во взвешенном состоянии.

Растворимостькислородавчистойводепридавлении0,1 МПапредставлена ниже [11].

Температура, оС 5 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 Растворимость, мг/л 12,8 11,3 10,8 10,3 9,8 9,4 9,0 8,7 8,3 8,0 7,7

При аэрации должна быть обеспечена большая поверхность контакта между воздухом, сточной водой и илом, что является необходимым условием эффективной очистки. На практике используют пневматический и пневмомеханический способы аэрации сточной воды в аэротенках. Выбор способа аэрации зависит от типа аэротенка и от необходимой интенсивности аэрации.

80