Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Процессы и аппараты очистки воды в металлургии. Учебное пособие
.pdf
ет образование ферментсубстратного комплекса, Михаэлис и Ментен
представили эту реакцию схемой
КК
12
Р – продукт реакции.
где
SE SE PE
КК
12
,
В результате было получено уравнение, названное уравнением
Михаэлиса и Ментена:
где
v – скорость реакции при концентрации субстрата S;
v
– максимальная скорость реакции без лимитирования суб-
max
max
)(
SKSvv
,
s
стратом;
K
– константа насыщения.
s
В дальнейшем было показано, что скорость роста биомассы опи-
сывается аналогичным уравнением
/( ),
где
)(dtxdx , здесь х – концентрация микроорганизмов.
SK S
max
s
Взаимосвязь между скоростью потребления субстрата и скоро-
стью роста биомассы выражается уравнением
ydS
где
у – коэффициент пропорциональности, характеризующий выход
dx
dt
,
dt
биомассы на единицу потребленного субстрата.
С учетом уравнения (3.2) зависимость для скорости потребления
субстрата записывается в виде
dS
1
ydt
max
S
x
.
SK
)(
s
Это уравнение и его модификации успешно используются в мате-
матических моделях систем биологической очистки сточных вод.
При математическом моделировании кинетики процессов биологической очистки сточных вод следует определять также скорость
сорбции субстрата активным илом, скорость роста биомассы с учетом влияния концентрации кислорода и микроорганизмов активного
ила, скорость образования продуктов
окисления, скорость потребле-
81
ния субстрата для поддержания жизнедеятельности микроорганизмов, скорость отмирания ила (автолиза), скорости образования автолиза, образования инертной части биомассы ила, изменения концентрации растворенного субстрата и других процессов. В результате
получается сложная и довольно громоздкая модель, решение которой
возможно только с применением ЭВМ.
3.7. Аппараты и сооружения биохимической
очистки сточных вод
В технологии биологической очистки сточных вод наибольшее распространение получил аэробный метод. Он может осуществляется в
таких сооружениях, как аэротенки, биофильтры, биологические пруды,
аэрационные каналы, окситенки, комбинированные сооружения.
Аэротенки. Аэротенки – обширная группа биологических окис-
лителей, принцип действия которых основан на минерализующей
способности активного ила, представляющего собой суспензию
аэробных микроорганизмов. Для их нормальной жизнедеятельности
в аэротенке необходимо поддержание определенной концентрации
кислорода, что достигается постоянной подачей в аэротенк воздуха.
Для окисления органических веществ, запасенных микроорганизмами ила, и восстановления окислительной способности необходима
регенерация активного ила.
Аэротенки классифицируются и делятся на типы по следующим
основным признакам:
1) гидродинамическому режиму – на вытеснители, смесители и
аэротенки с рассредоточенным впуском сточной жидкости (промежуточного типа);
2) способу регенерации активного ила – на аэротенки с отдельно
стоящим регенератором ила или совмещенными с регенератором;
3) нагрузке на активный ил – на высоконагруженные
, обычные и
низконагруженные;
4) количеству ступеней очистки – на одно-, двух- и многоступенчатые;
5) режиму ввода сточной жидкости – на проточные и контактные
(с переменным рабочим уровнем);
6) конструктивным признакам – на прямоугольные, круглые, ком-
бинированные, противоточные, шахтные, фильтротенки, флототенки
и др.;
7) типу систем аэрации – на аэротенки с пневматическими, механическими, гидродинамическими и
пневмомеханическими аэраторами.
82
Аэротенки-вытеснители представляют собой сооружения, в ко-
торых сточные воды проходят последовательную очистку без полного смешения со всем объемом жидкости в резервуаре. В аэротенках
данного типа глубина очистки сточных вод является функцией расстояния прохождения жидкости от точки впуска. Такой режим осуществим при соотношении общей длины коридоров аэротенка к ширине более 30–40. Гидродинамический режим движения жидкости в
нем приближается к режиму вытеснения в резервуаре, разделенном
перегородками на 6–8 последовательно работающих секций.
Аэротенки-смесители – сооружения, в которых поступающие
сточные воды и активный ил почти мгновенно перемешиваются со
всей массой иловой смеси резервуара. В этом сооружении обеспечивается равномерное распределение органических загрязнений и растворенного кислорода. Конструктивная особенность – рассредоточенный
впуск смеси сточных вод и активного ила и такой же выпуск их.
Высоконагружаемые аэротенки – сооружения, работающие с на-
грузками на активный ил более 0,8 г БПК/г ила в 1 сутки.
Низконагруженные аэротенки (с продленной аэрацией) получили
применение в основном для очистки малых количеств сточных вод
(до 1 000 м
3
/сут).
Все конструктивное многообразие аэротенков, имеющееся в настоящее время, может быть продемонстрировано схемами на
рис. 3.2,
а,б. В соответствии с этими схемами аэротенки можно раз-
делить в основном на три типа:
1) в которых поступающая сточная жидкость практически не пе-
ремешивается с ранее поступившей (рис. 3.2,
а);
2) в которых поступающая сточная вода постоянно перемешива-
ется со всей сточной жидкостью, находящейся в аэротенке (3.2,
г);
3) промежуточного типа, в которых поступающая вода перемеши-
вается только с частью имеющейся в аэротенке жидкости (3.2
,в,д).
Во всех типах аэротенков устраивается равномерная подача воздуха по всей длине аэротенка, так как создать распределение воздуха, которое точно соответствовало бы потреблению кислорода сточной жидкостью, весьма сложно.
Биологические фильтры. Биофильтры по сравнению с аэротен-
ками менее энергоемки; они рентабельны для обработки сравнительно небольших количеств сточных вод.
Биофильтр состоит из корпуса, водораспределительного, дренажного
и воздухораспределительного устройств и загрузки. Проходя через загрузочный материал, вода очищается от нерастворенных примесей,
83
Рис. 3.2. Схемы аэротенков: а – с сосредоточенным поступлением стоков;
б – с сосредоточенным поступлением стоков и аэрацией возвратного ила;
в – со ступенчатым впуском стоков; г – с рассредоточенным впуском
и выпуском смеси сточной воды и активного ила; д – двухступенчатые
аэрационные сооружения: 1 – аэротенк; 2 – регенератор;
3 – аэротенк-смеситель; 4 – отстойник
84
не осевших в первичных отстойниках, коллоидных и растворенных
органических веществ. Последние сорбируются биопленкой микроорганизмов, покрывающей поверхность загрузочного материала, и
окисляются, являясь источником питания и энергии микроорганизмов. При этом увеличивается масса биопленки в теле фильтра.
Омертвевшая отработанная биопленка смывается сточной водой и
выносится из биофильтра во вторичный отстойник.
По конструктивным
особенностям загрузочного материала биофильтры подразделяют на два вида: с объемной и плоскостной загрузкой. В свою очередь,
биофильтры с объемной загрузкой делят-
ся на следующие группы:
1)
капельные, имеющие крупность фракций загрузочного мате-
риала 20…30 мм и высоту слоя загрузки 1…2 м;
2)
высоконагружаемые – с крупностью загрузочного материала
40…60 мм и высотой загрузочного слоя 2…4 м;
башенные, которые имеют крупность загрузочного материала
3)
60…80 мм и высоту слоя загрузки 8…16 м.
Капельные биофильтры рекомендуются для очистки сточных вод
до 1 000 м
30…50 тыс. м
3
/сут, высоконагружаемые и башенные – при расходах до
3
/сут.
В качестве загрузочного материала в биофильтрах с объемной загрузкой используются щебень, гравий, шлаки, керамзит и другие материалы с насыпной плотностью 500…1500 кг/м
3
и пористостью 40–50 %.
Биофильтры с плоскостной загрузкой подразделяются по типу
загрузки, которая может быть:
1)
жесткой засыпной – в виде колец, обрезков труб (керамиче-
ских, пластмассовых, металлических) плотностью 100…500 кг/м
3
и
пористостью 70–90 %, при высоте слоя 1…6 м;
2)
жесткой блочной – в виде решеток или блоков, собранных из
чередующихся плоских и гофрированных листов из полиэтилена,
поливинилхлорида, полипропилена, полистирола и др., плотностью
40…100 кг/м
также асбестоцементных листов (плотность 200…250 кг/м
3
, пористостью 90–97 %, при высоте слоя 2…16 м, а
3
, порис-
тость 80–90 %) при высоте слоя 2…6 м;
3)
мягкой – из металлических сеток, пластмассовых пленок или син-
тетических тканей (нейлон, капрон, лавсан) на каркасе или в рулонах
(плотность 5…60 кг/м
3
, пористость 94–99 %, высота слоя 3…8 м).
Эффективность работы биофильтров зависит от ряда факторов,
важнейшими из которых являются:
85
а) нагрузка на единицу объема (1 м3) биофильтра по органическим
веществам, выражаемая через БПК (в г
/м3);
О
2
б) высота биофильтра (слоя загрузки);
в) размер гранул загрузочного материала в биофильтре;
г) интенсивность промывки биофильтра;
д) внешняя температура;
е) равномерность распределения сточных вод по сечению и объе-
му биофильтра.
Правильно принятая нагрузка по органическим веществам предопределяет надежность и эффективность работы биофильтра. Поэтому
расчет биофильтров ведется по окислительной мощности,
количеству загрязнений, выраженному через БПК, которое может
быть окислено биопленкой на 1 м
загрузки биофильтра
где
L – БПК
Q – количество сточных вод, подлежащих очистке на биофильтре
за сутки, м
поступающей на очистку сточной жидкости, г
полн
3
;
3
W, м
, определяется по уравнению
W = L Q / OM,
3
загрузки. Необходимый объем
т. е. по
/м3;
О
2
ОМ – окислительная мощность биофильтра (удельная нагрузка),
3
сут.
г/м
Величина окислительной мощности устанавливается обычно экспериментально. Для сточных вод неизвестного состава ориентировочно,
3
для расчетов принимается 300 г/(м
сут) при температуре 20 С.
Высота биофильтра принимается исходя из местных условий (наличия свободных площадей и располагаемого напора). При высоте
биофильтра более 2 м требуется искусственная вентиляция. Оптимальное количество воздуха, необходимого для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов биопленки в биофильтре, устанавливается экспериментально. Для ориентировочных расчетов расхода
воздуха (
D) в 1 м
3/м3
очищаемой воды может быть использована
формула Н. А. Базякиной:
D = L/21,
где
L – БПК
сточных вод, г
полн
О
/м3.
2
Наиболее равномерное орошение поверхности биофильтра достигается с помощью реактивного (вращающегося) оросителя, для движения
которого вполне достаточно реактивной силы, возникающей при истечении жидкости из оросителя. При проектировании систем очистки
86
сточных вод с использованием биофильтров следует учитывать, что
понижение температуры загрузки (в зимнее время) на 1 С приводит к
снижению его окислительной мощности примерно на 5 %.
Биофильтры устраиваются круглыми в плане, диаметром 6, 12, 18,
24 и 30 м. В зависимости от создаваемого насосом напора биофильтры могут работать как по одноступенчатой, так и по двухступенчатой
схеме. В ряде случаев эффективно применение двухступенчатой
схемы, в которой биофильтры первой ступени заменяются на аэротенки. Такие схемы позволяют подавать на очистные сооружения
биохимической очистки сточные воды с более высокими концентрациями органических веществ.
Комбинированные сооружения. Особенностью комбинирован-
ных сооружений является совмещение в одном объеме функций аэротенка и вторичных отстойников. Это совмещение, а также возможность работы с активным илом высокой концентрации значительно сокращает площади под сооружения и уменьшает капитальные затраты на их строительство.
Окситенки. Окситенки – сооружения с механизмом процесса
биоокисления, аналогичным процессам в аэротенке. В окситенках
вместо воздуха для биохимических реакций применяется технический кислород, за счет чего возможно проведение процесса с высокой концентрацией активного ила, что повышает производительность сооружений при меньших их объемах.
Сооружения нитрификации-денитрификации. Биологическая нит-
рификация применяется как конечная стадия очистки воды, когда можно
использовать или сбросить воду, содержащую нитраты. При невозможности сбросить такую воду для стадии нитрификации необходима последующая денитрификация. Процессы протекают по схеме
OHCO2HNO2HCO2ONH
,
2323324
синтез клеточного вещества:
NOH4CO22H10NOCO4H24HCO14NH
.
275233234
Образующиеся нитраты при денитрификации восстанавливаются
либо до NO, либо до N
O, либо до N2. Процесс восстановления нит-
2
ратов многостадийный и зависит от величины рН: при рН < 7,3 вероятно образование N
O. Однако обычно процесс проходит до образо-
2
вания молекулярного азота:
NO NO NO N O N
.
32 22
87
Процесс нитрификации проводится в аэробных условиях, денит-
рификации – в анаэробных.
3.8. Анаэробное сбраживание осадков сточных вод
Анаэробное сбраживание осадков осуществляется с целью обеззараживания (уничтожения патогенной микрофлоры), для использования осадка в сельском хозяйстве в качестве органического удобрения.
Процесс проводится в мезофильных (при температуре 28…35 С)
или в термофильных (при температуре 48…55 С) условиях.
На первой стадии сбраживания с помощью специальных микроорганизмов происходит гидролиз и ферментативное расщепление
сложных органических веществ осадка в низшие жирные кислоты,
спирты, углекислоту, аммиак, водород и другие вещества. В основном образуются уксусная (до 70 %) и пропиновая (до 15 %) кислоты.
На второй стадии метанобразующие бактерии превращают продукты первой фазы в метан, углекислоту и другие газы, образующиеся в малых количествах. Выделяющийся газ используется как
энер-
гоноситель.
Процесс сбраживания осадков осуществляется в специальных сооружениях –
метатенках. Их конструкции и принципы расчета в
данном курсе не рассматриваются.
3.9. Технологические схемы биологической
очистки сточных вод
Технологические схемы и состав сооружений биологической очистки сточных вод зависят от расхода и состава сточных вод, а также
от технико-экономических показателей. Однако независимо от этих
факторов есть общие принципы в выборе технологических схем.
Принципиальная технологическая схема биологической очистки
сточных вод должна включать: первичные отстойники, сооружения
окисления органических веществ (аэротенки
, биофильтры или другие сооружения), вторичные отстойник для отделения активного ила,
сооружения для обработки осадков (метатенки). Эта схема может
дополняться сооружениями нитрификации-денитрификации, контактными резервуарами для обеззараживания воды. Более детальный
выбор схем и сооружений производится при разработке проекта, в
зависимости от состава очищаемой воды и других факторов. Принципиальные
схемы сооружений биологической очистки сточных вод
с аэротенками представлены на рис. 3.2.
88
4. МЕТОДЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ
ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
Химические и физико-химические методы очистки сточных вод
широко применяются в практике с целью удаления из них растворенных и дисперсных минеральных и органических соединений или
перевода их в нетоксичные вещества.
К химическим и физико-химическим методам относятся:
лизация, восстановление, адсорбция, кристаллизация
и т.д.
нейтра-
4.1. Реагентные методы обработки сточных вод
Среди химических методов наиболее широкое применение получили реагентные, основанные на взаимодействии токсичных химических соединений, присутствующих в сточных водах, с веществами,
вводимыми в обрабатываемую воду и не обладающими токсичными
свойствами. При этом образуются новые вещества, малотоксичные
или выделяющиеся из воды в виде труднорастворимых соединений.
Нейтрализация. К реагентным методам относится, в первую оче-
редь,
нейтрализация кислот и оснований, осаждение труднораство-
римых соединений металлов.
В различных технологических процессах производств многих отраслей промышленности образуются сточные воды, содержащие избыток кислот или оснований. В соответствии с требованиями «Правил охраны поверхностных вод от загрязнений», а также «Правил
приема производственных сточных вод в канализационные сети населенных пунктов»
такие сточные воды перед сбросом должны подвергаться нейтрализации таким образом, чтобы величина их рН находилась в пределах 6,5–8,5. Нейтрализация сточных вод основана на
взаимодействии содержащихся в них кислот или оснований с веществами, придающими воде реакцию, близкую к нейтральной (рН 7).
Иными словами, нейтрализация – это взаимодействие ионов водорода и гидроксид
-ионов.
В практике очистки сточных вод применяются следующие спосо-
бы нейтрализации:
а) взаимная нейтрализация кислых и щелочных сточных вод (если
на данном предприятии имеются те и другие);
б) нейтрализация реагентами, вводимыми в обрабатываемую воду
в виде растворов или суспензий;
89
в) фильтрование через нейтрализующие материалы (известняк –
CaCO
магнезит – MgO, мрамор – CaCO
, доломит – CaCO3·MgCO3, магнезит – MgCO3, обожженный
3
·MgCO3).
3
Реакции нейтрализации протекают по общим уравнениям:
OHOHH
2H CO H CO CO H O
.
2
323 2 2
;
2
В практике наиболее распространены сточные воды, содержащие
избыток кислот. Поэтому для их нейтрализации могут применяться
сильные основания (щелочи), карбонаты и некоторые минералы, указанные выше.
Наиболее дешевым реагентом для нейтрализации кислот является
известь, которая применяется в виде водной суспензии –
вого молока
, получающегося растворением гашеной извести в воде:
Ca(OH)OHCaO
.
22
известко-
Образованный гидроксид кальция взаимодействует с кислотами по
уравнениям
O2HCaSOCa(OH)SOH
O2HCa(NOCa(OH)2HNO
O6H(POCaCa(OH)PO2H
);
2
)3.
;
24242
O2HCaClCa(OH)2HCl
;
222
2323
243243
2
Взаимодействие кислот с основаниями, в том числе с гидроксидом кальция, протекает в эквивалентных количествах. Расчет процесса нейтрализации сводится к определению необходимого расхода
реагентов. В качестве исходных материалов используются данные
анализов сточных вод или технологические данные о процессе – источнике их образования. Концентрации в сточных водах кислот или
оснований
могут выражаться в граммах на литр (миллиграммах на
литр), в грамм-эквивалентах на литр (миллиграмм-эквивалентах на
литр) или в процентах. В расчетах по нейтрализации удобнее пользоваться выражением концентраций в грамм-эквивалентах на литр
(миллиграмм-эквивалентах на литр). Если в воде присутствует несколько кислот и их концентрации выражены
в граммах на литр
(миллиграммах на литр), то пересчет производится по уравнениям
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]