Подпиточная Оборотная Средообразующая Промывающая Реакционная

(добавочная)

Рис. 10. Классификация вод по целевому назначению

Как видно из рас. 10 вода расходуется на хозяйственно-питьевые цели, на полив и на технические цели.

А теперь о воде, которая используется в промышленности и на транспорте, что естественно должно вас интересовать прежде всего.

Воду, используемую в промышленности, подразделяют на охлаждающую, технологическую и энергетическую.

Энергетическая вода может находиться как в системе водопользования при получении электроэнергии на ГЭС, так и системе водопотребления. В системе водопотребления эта вода служит средой для подачи тепла в системах централизованного теплоснабжения. Извините за тавтологию.

Охлаждающая вода служит для охлаждения жидких и газообразных продуктов в теплообменных аппаратах. При этом она практически не соприкасается с минеральными потоками и не загрязняется, а лишь нагревается, служа в дальнейшем источником теплового загрязнения окружающей среды. В промышленности на нужды теплообмена расходуется 65-80% всего водопотребления. На крупных химических предприятиях потребление охлаждающей воды достигает 440 млн. м³/год. Суммарное количество воды, заключенное в системах охлаждения на предприятиях химической отрасли, составляет 20 млрд. м³/год.

Технологическую воду подразделяют на средообразующую, промывающую и реакционную.

Средообразующую воду используют для растворения и образования производственных суспензий (пульп), при обогащении и переработке руд, для нужд гидротранспорта и в пищевой промышленности.

Промывающая вода служит для промывки газообразных, жидких и твердых материалов, а также мытья машин и аппаратов. В железнодорожном транспорте на промывку используют до 30% всей используемой в системе МПС воды.

Реакционная вода служит для использования в качестве химического или физико-химического реагента.

Согласно требованиям «Водного кодекса», система водообеспечения промышленных предприятий должна быть, как правило, с оборотом воды для всего предприятия или в виде замкнутых циклов для отдельных цехов. При этом необходимо предусматривать очистку отработанной воды. Последовательная или прямоточная система подачи воды на производственные нужды со сбросом очищенных сточных вод в водоем допускается только при невозможности или нецелесообразности применения оборотного водоснабжения. Принципиальные схемы оборотного водоснабжения приведены на рис. 11.

Таким образом, наиболее перспективный путь уменьшения потребления свежей воды, а значит и количества стоков - это создание оборотных систем водоснабжения. Использование оборотного водоснабжения позволяет в 10-50 раз уменьшить потребление свежей воды. В отдельных отраслях ее доля составляет в настоящее время 75-90%.

П П П

ОХ НС ОС НС ОС НС

Добавочная Добавочная ОХ Доб.

вода вода вода

а) б) в)

Рис. 11. Принципиальные технологические схемы оборотного водоснабжения:

а) –с охлаждением воды; б) – с очисткой воды; в) – с очисткой и охлаждением воды:

П – производство; НС – насосная станция; ОХ – охлаждение воды; ОС – очистка воды

ОЧИСТКА И ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ СТОЧНЫХ ВОД

Требования к качеству очищенных вод диктуется условиями их дальнейшего применения. Если они возвращаются в производственный цикл, то степень их очистки определяется технологическими требованиями самого производства. (Например, для производства радиодеталей, печатных плат, спиртных напитков, пива, хороших газированных вод и т.д. требуется очистка природных вод, т.к. они для этого считаются грязными). Если же очищенные воды сбрасываются в окружающую среду, то необходимая степень их очистки определяется нормативами ПДК, ПДВ и экологическими требованиями.

Выбор методов очистки зависит от состава сточных вод. Загрязнители сточных вод делятся на физические, биологические и химические. В свою очередь химические загрязнители делятся на:

• биологически нестойкие органические соединения;

• малотоксичные неорганические соли;

• нефтепродукты;

• биогенные соединения;

• вещества со специфическими токсичными свойствами, в том числе тяжелые металлы и биологически жесткие неразлагающиеся органические вещества.

Очистка сточных вод осуществляется: механическими, физико-химическими, химическими и биологическими методами.

Механическая очистка применяется для выделения из сточной воды нерастворенных минеральных и органических примесей. Назначение механической очистки в основном заключается в подготовке производственных сточных вод к биологической, физико-химической и другой более тонкой очистке. Как правило, механическая очистка обеспечивает выделение взвешенных веществ из вод до 90-95% и снижение органических загрязнений на 20-25%.

Продукт, который получается при удалении взвешенных веществ из сточных вод, называется осадок.

Основные методы удаления взвешенных веществ: процеживание, отстаивание, фильтрация, центрифугирование.

Процеживание. Основными аппаратами для процеживания являются решетки. Решетки устанавливают на очистных станциях при поступлении на них сточных вод самотеком. Не применять решетки на очистных станциях допускается в случае подачи вод насосами с установленными перед ними решетками с прозорами 16 мм или менее. Решетки делятся:

1. с ручной или механизированной выгрузкой осадка

2. вертикальные и наклонные

3. решетки-дробилки

Здесь необходимо отметить, что решетки ставятся для извлечения из сточных вод крупных частиц размером более 10 мм. Все более мелкие частицы движутся со сточной водой на предварительное отстаивание.

Отстаивание. Метод отстаивания подразделяется на 2 группы:

1. осветление в поле гравитационных сил

2. осветление в поле центробежных сил.

Для осветления в поле гравитационных сил используют песколовки и отстойники.

Песколовки обычно используют для отделения из сточных вод минеральных частиц крупностью более 200 мкм. Их устанавливают при пропускной способности станции очистки сточных вод более 100 м³/сут. Песколовки задерживают 40-50% взвешенных веществ. Эффективность очистки определяется гидравлической крупностью. Гидравлической крупностью называется скорость оседания взвешенных частиц в поле гравитационных сил. Гидравлическая крупность (U) измеряется в мм/сек и определяется по формуле:

(3.6)

где Н– глубина проточной части песколовки или отстойника;

τ – продолжительность отстаивания частиц в цилиндре с высотой столба водыh= 500 мм при температуре 20^оС;

n– показатель степени, определяемый по специальным таблицам. Он еще называется коэффициентом гравитационной коагуляции. При обычных условиях без добавки коагулянтов он изменяется от 0,5 до 2. При использовании коагулянтов он уменьшается до 0,35-0,75.

Исходя из этих показателей, можно рассчитать рабочую продолжительность протока сточной воды:

t₁ = H(U – w), (3.7)

где w – вертикальная составляющая турбулентного потока, мм/с:

w = 0,05 v , (3.8)

где v – скорость потока, м/с.

Расчетная длина сооружения определяется по формуле

L = t v. (3.9)

К основным типам песколовок относятся: горизонтальные с прямолинейным или круговым движением воды, вертикальные, аэрируемые, тангенциальные со шнековым пескопромывателем.

Горизонтальные песколовки с круговым движением сточной воды предназначены для удаления песка из производственных сточных вод, имеющих нейтральную или слабощелочную реакцию. Они рассчитаны на производительность 1400-70000 м³/сут. Широкое применение находят горизонтальные песколовки с прямолинейным движением воды (рис. 3.4), в состав которой входят входной патрубок1, выпускной коллектор4и песковый приямок (шламосборник)3.

Рис. 3.4. Схема горизонтальной песколовки:

1 – входной патрубок; 2 – корпус песколовки; 3 – шламосборник (песковый приямок); 4 – выпускной коллектор

Горизонтальные песколовки этого типа обладают пропускной способностью 70-280 тыс.м³/сут. Скорость движения сточных вод составляет 0,15-0,3 м/сек, продолжительность пребывания в рабочей зоне около 1 мин.

Вертикальные песколовки (рис. 3.5) состоят из входной трубы 1, перегородки2для изменения направления движения очищаемой воды, шламосборника3и выходной трубы5. В шламосборнике предусмотрено отверстие4для удаления шлама. Вертикальные песколовки имеют линейную скорость 0,03-0,04 м/сек, продолжительность пребывания потока в рабочей зоне 2-2,5 мин, а гидравлическая крупность – до 25 мм/сек.

Для разделения механических загрязнений по фракционному составу или по плотности применяют аэрируемые песколовки (рис. 3.6), в состав которых входят входная труба 2, воздуховод, воздухораспределители3, выходная труба4, шламосборник5с отверстием6для удаления шлама. Крупные фракции осаждаются, как и в горизонтальных песколовках. Мелкие же частицы, обволакиваются пузырьками воздуха, всплывают наверх и с помощью скребковых механизмов удаляются с поверхности. Длина таких песколовок определяется по формуле

(3.10)

Рис. 3.5. Схема вертикальной песколовки:

1 – входная труба; 2 – перегородка; 3 – шламосборник; 4 – отверстие для удаления шлама; 5 – выходная труба

Рис. 3.6. Схема аэрируемой песколовки:

1 – входная труба; 2 – воздуховод; 3 – воздухораспределители; 4 – выходная труба; 5 – шламосборник; 6 – отверстие для удаления шлама

Аэрируемые песколовки применяются для выделения из сточной воды минеральных частиц гидравлической крупностью 13-18 мм/сек. Скорость движения сточных вод составляет 0,08-0,12 м/сек.

Усреднители применяют для регулирования состава и расхода сточных вод, поступающих на очистные сооружения, что позволяет повысить эффективность и надежность устройств механической, биологической и физико-химической очистки. Экономический эффект достигается за счет выравнивания пиковых концентраций и расходов сточных вод, поступающих на очистку.

Конструктивно усреднители представляют собой прямоугольные резервуары, изготовленные из железобетона. В отечественной практике применяют усреднители, действующие по принципу дифференцирования потока, и усреднители с перемешиванием поступающей сточной воды.

Схема усреднителя с дифференцированием потока сточных вод представлена на рис. 3.7. Принцип работы этого усреднителя заключается в следующем: сточная вода после очистки на решетках и песколовках попадает в распределительный колодец 8, из которого по желобам направляется в коридоры усреднителя3и собирается затем в диагональные лотки4, из них сточная вода поступает в выпускную камеру5. Эффективность усреднения по концентрации достигается за счет разного времени добегания отдельных порций сточной воды к сборному лотку. Типовой усреднитель состоит из 4-6 параллельно расположенных коридоров.

Рис. 3.7. Схема усреднителя прямоугольной формы с дифференцированием

потока сточных вод:

1 – входной патрубок с шибером; 2 – диагональная перегородка; 3 – коридоры; 4 – сборные лотки; 5 – выпускная камера; 6 – выходной патрубок; 7 – желоб для подачи сточных вод; 8 – распределительный колодец

Кроме того, при очистке производственных сточных вод применяют усреднители барботажного типа суммарной вместимостью 600, 900, 1200, 1800 м³, а также радиальные отстойники-усреднители, в которых совмещены процессы отстаивания и усреднения. Разработаны также конструкции усреднителей, обеспечивающих поддержание расчетной величины усредненного расхода выпускаемой воды.

Отстойники. Как правило, в отстойниках отделяются частицы меньших размеров, чем в песколовках, что определяет большее разнообразие отстойников перед песколовками. Некоторые из конструкций этих аппаратов показаны на рис. 3.8.

Все аппараты отстойники делятся на 2 типа: периодического и непрерывного действия.

Типы аппаратов отстойников непрерывного действия: вертикальные, горизонтальные, радиальные.

Рис. 3.8. Отстойники:

а – горизонтальный: 1 – входной лоток; 2 – отстойная камера; 3 – выходной лоток;

4 – приямок;

б – вертикальный: 1 – цилиндрическая часть; 2 – центральная труба; 3 – желоб,

4 – коническая часть;

в – радиальный: 1 – корпус; 2 – желоб; 3 – распределительное устройство; 4 – успокоительная камера; 5 – скребковый механизм;

г – трубчатый;

д – с наклонными пластинами: 1 – корпус; 2 – пластины; 3 – шламоприемник

Горизонтальные отстойники (рис. 3.8, а) представляют собой удлиненные и прямоугольные резервуары с глубиной 1,5-4,0 м с приямком для сбора осадка. Длина таких отстойников равна 8-12 м, а ширина коридора – 3-6 м. Такую же конструкцию имеют и горизонтальные песколовки, рассмотренные выше. Осадок сдвигают в приямок с помощью скребкового механизма. Горизонтальная скорость движения воды в отстойнике не выше 0,01 м/с. Это обеспечивает достижение заданной степени отстаивания за 1-3 ч.

Вертикальный отстойник (рис. 3.8, б) представляет собой цилиндрический или квадратный в плане резервуар с коническим днищем. Сточную воду вводят по центральной трубе. После ввода она движется вверх к желобу. Для равномерности распределения воды конец вводной трубы снабжен раструбом и распределительным щитом. Таким образом, оседание частиц происходит в восходящем потоке, скорость которого составляет 0,4-0,6 м/с. Высота зоны осаждения – 4-5 м.

Радиальные отстойники представляют собой круглые в плане резервуары (рис. 3.8, в), вода в которых движется от центра к периферии. Глубина проточной части такого отстойника составляет 1,5-5 м, а отношение диаметра к глубине – от 6 до 30. Обычно используются отстойники диаметром 9-60 м. Такие отстойники применяются при расходах сточных вод свыше 2000 м³/сут.

Повысить эффективность работы отстойников можно, увеличивая не только площадь, но и глубину отстаивания. Это используют в трубчатых (рис. 3.8, г) и пластинчатых (рис. 3.8, д) аппаратах.

В трубчатых отстойниках основным рабочим элементом являются пучки труб квадратного, круглого или шестиугольного сечения. Трубки устанавливают под некоторым углом к горизонту. Трубчатые отстойники с небольшим углом наклона работают периодически.

Пластинчатые отстойники имеют в корпусе ряд параллельно установленных пластин с расстоянием между ними 25-100 мм. Пластины устанавливают под некоторым углом к горизонтали, достаточным для самопроизвольного сползания осадка. Угол устанавливают экспериментально.

Среди гравитационных отстойников, используемых в промышленности, можно выделить группу простейших устройств – аппаратов периодического действия. Как правило, это цилиндрические резервуары большого диаметра (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Схема гравитационного отстойника периодического действия:

1 – корпус; 2 – патрубки для отвода отстоя; 3 – патрубок для выгрузки осадка

Аппарат 1 объемом V периодически заполняют суспензией, которая отстаивается в течение времени τ_о. Сначала сливается чистая жидкость через патрубки 2, а затем удаляется образовавшийся концентрированный осадок через патрубок 3. Это отстойник периодического действия. Он же может работать и в непрерывном режиме.

Производительность такого отстойника не зависит от его высоты, а зависит от скорости осаждения частиц (гидравлической крупности – U), продолжительности нахождения суспензии в отстойнике (τ) и площади отстойника (S).

Необходимую площадь отстойника рассчитывают по формуле

(3.11)

где Qc – суточная производительность отстойника,

t– суточная продолжительность работы отстойника,

U – гидравлическая крупность частиц,

k – коэффициент объемного использования площади отстойника, равный отношению среднего фактического времени пребывания воды в отстойнике к расчетному. Для вертикальных отстойников этот коэффициент равен 0,4-0,5, а для радиальных и горизонтальных – 0,71-0,8.

Значительно повышается эффективность отстаивания в тонкослойных отстойниках, когда при невысоких концентрациях взвешенных веществ теряется различие между Ш и 1У зонами (рис. 1.10). В этом случае не формируется зона стесненного осаждения, а высота отстаивания уменьшается. Этот показатель (Н_отс) рассчитывают по формуле

(3.12)

где Q_ч– часовая производительность отстойника.

Высота отстаивания составляет 0,5 – 1 м. Такая высота принимается для расчетов в тонкослойных пластинчатых или трубчатых отстойниках. В других отстойниках она, как правило, должна быть в 3-4 раза больше.

4.2. Осветление сточных вод, улавливание жиров и нефтепродуктов

Кроме первичных отстойников для механической очистки воды наиболее часто используют осветлители, нефте- и жироловушки.

Осветлители. Эти аппараты отличаются от отстойников тем, что в их работе для ускорения процесса оседания частиц и используют специальные реагенты – коагулянты или флокулянты, способствующие агрегации, то есть укрупнению частиц. Механизм действия этих реагентов будет описан ниже.

В практике очистки сточных вод часто используют осветлитель со взвешенным слоем осадка, принципиальная схема которого приведена на рис. 3.10. Вода с коагулянтом поступает в нижнюю часть осветлителя. Хлопья коагулянта и увлекаемые им частицы поднимаются потоком воды до тех пор, пока скорость выпадения их не станет равной скорости восходящего потока (сечение А-А). Выше этого сечения образуется слой взвешенного осадка, через который фильтруется осветленная вода. Осадок удаляется в осадкоуловитель, в котором из-за отсутствия восходящего движения потока он отстаивается, частично обезвоживается и удаляется по специальному трубопроводу. Осветленная вода поступает в желоб, из которого ее направляют на дальнейшую очистку.

Рис. 3.10. Схема осветлителя:

1 – осветлитель; 2 – желоб; 3 – осадкоуплотнитель

Эффективность очистки сточных вод в осветлителях достигает 75%. Пропускная способность осветлителя диаметром 6 м при продолжительности пребывания в нем сточной воды 1,5 ч – 85 м³/ч, а осветлителя диаметром 9 м – 193 м³/ч. Осветлители компонуют в блок из двух или четырех сооружений.

Жироловки. Очистка сточных вод от маслосодержащих примесей в зависимости от состава и концентрации примесей производится отстаиванием, обработкой в гидроциклонах и фильтрованием. При отстаивании происходит всплывание частиц масел с плотностью, меньшей плотности воды, по тем же законам, что и осаждение тяжелых частиц. Процесс отстаивания осуществляется в отстойниках, а также маслоловушках при незначительной концентрации механических загрязнений. Конструкция маслоловушек аналогична конструкции горизонтального отстойника (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Схема маслоловушки:

1 – входной патрубок; 2 – отстойная камера; 3 – маслосборник; 4 – цепной конвейер; 5 – выходной патрубок

При среднем времени пребывания сточной воды в маслоловушке, равном двум часам, скорость движения воды составляет 0,003-0,008 м/с. В результате отстаивания маслопродукты, содержащиеся в воде, всплывают на поверхность, откуда удаляются маслосборным устройством. Для расчета маслоловушек необходимо знать расход сточной воды и скорость всплывания маслопродуктов, которая определяется по следующей формуле

(3.13)

где d– диаметр осаждаемых частиц,

ρ_ч,ρ_ж– плотности загрязнителя и жидкости.

В этом случае расчет сводится к определению геометрических размеров ловушек и времени отстаивания сточной воды.

Очистка сточных вод от маслосодержащих примесей фильтрованием – заключительный этап очистки. В качестве фильтрующего материала используют кварцевый песок, доломит, керамзит и др. На рис. 3.12 представлена схема полиуретанового фильтра. Устройство состоит из решетки 1и патрона2с фильтрующим элементом3из вспененного полиуретана. Решетка задерживает твердые частицы, а фильтр задерживает жир. Пенополиуретаны, обладая большой маслопоглощательной способностью, обеспечивают очистку до 0,97 - 0,99 при скорости фильтрования 0,01 м/с. Насадка из пенополиуретана легко регенерируется механическим отжиманием маслопродуктов.

2 1

3

Рис. 3.12. Схема полиуретанового фильтра:

1 – решетка; 2 – патрон; 3 – насадки из пенополиуретана.

Нефтеловушки. Для очистки сточных вод, содержащих нефть и нефтепродукты при концентрациях более 100 мг/л, применяют нефтеловушки, которые представляют собой прямоугольные, вытянутые в длину резервуары. В них происходит разделение нефти и воды за счет разности их плотностей. Нефть и нефтепродукты всплывают на поверхность, а содержащиеся в сточной воде минеральные примеси, оседают на дно нефтеловушки. Типичные схемы нефтеловушек представлены на рис. 3.13.

Рис. 3.13. Схемы нефтеловушек

а – горизонтальная нефтеловушка: 1 – корпус; 2 – гидроэлеватор; 3 – слой нефти;

4 - нефтесборная труба; 5 – нефтеудерживающая перегородка; 6 – скребковый транспортер; 7 – приямок для осадка;

б – тонкослойная нефтеловушка: 1 – вывод очищенной воды; 2 – нефтесборная труба;

3 – перегородка; 4 – плавающий пенопласт; 5 – слой нефти; 6 – ввод сточной воды;

7 – секция из гофрированных пластин; 8 – осадок

В горизонтальной нефтеловушке (рис. 3.13, а) нефть всплывает на поверхность очищаемой воды в отстойной камере (которая ограничена нефтеудерживающей перегородкой 5) и удаляется с помощью скребкового транспортера6и нефтесборной трубы4. Работа данной нефтеловушки характеризуется следующими параметрами: скорость движения воды в ней – 5∙10^–3– 10^–2м/с; степень очистки от нефтепродуктов – 96-98%. Горизонтальные нефтеловушки имеют не менее двух секций. Ширина секции составляет 2-3 м, глубина отстаиваемого слоя воды 1,2-1,5 м, продолжительность отстаивания не менее 2 ч. Производительность типовых горизонтальных нефтеловушек составляет 300, 450 и 600 м³/ч.

Усовершенствованными разновидностями горизонтальных нефтеловушек являются радиальные и полочные (рис. 3.13, б) тонкослойные ловушки. Они имеют меньшие габариты и более экономичны.

4.3. Фильтрование

Для улавливания тонких частиц используют фильтрование сточных вод через тонкие перегородки или насыпные слои зернистых материалов.

В качестве фильтрующих перегородок применяют перфорированные листы и сетки из нержавеющей стали, алюминия, никеля, меди, латуни и других металлов, а также разнообразные тканевые перегородки (асбестовые, стекловолоконные, хлопчатобумажные, шерстяные, из синтетических волокон). Выбор перегородки зависит от коррозионной активности очищаемой воды, физико-химических свойств и концентрации отделяемых осадков. Для осуществления процесса фильтрации в этом случае используются все известные типовые фильтры: нутч-фильтры, пресс-фильтры, барабанные, дисковые, ленточные, карусельные и др.; непрерывно и периодически работающие; работающие под давлением и в вакууме.

Более широко в водоочистной практике применяют фильтры с насыпным фильтрующим зернистым материалом. Насыпной материал – кварцевый песок, антрацит, дробленый керамзит, шлаки и др.

Фильтры характеризуются показателем, который называется время работы фильтра до проскока. Показатель рассчитывается по формуле

с, (3.14)

где l– толщина фильтрующего слоя загрузки, м;

V– объем фильтрата или скорость фильтрации, м³;

d – диаметр зерен загрузки, м;

S₀иk – константы (или концентрации) взвешенных веществ в осветленной и исходной воде.

Требования к фильтрации следующие:

- фильтрование должно идти в направлении убывающей крупности зерен загрузки с целью предотвращения образования малопроницаемых пленок на поверхности загрузки;

- должна быть предусмотрена интенсивная промывка зерен загрузки при наступлении проскока загрязненных вод;

- фильтры должны обладать малой чувствительностью к колебаниям качества и расхода воды.

Требования к фильтрующим материалам:

наличие определенного фракционного состава;

механическая прочность на истирание и измельчение;

химическая стойкость к воде и примесям;

доступность и невысокая стоимость.

По скорости фильтрации фильтры делятся на медленные(со скоростью фильтрации менее 0,5 м/ч),скорые(от 2 до 15 м/ч) исверхскорыефильтры (более 25 м/ч).

Также они подразделяются на открытые и закрытые, на напорные и безнапорные, а по размерам загрузки верхнего слоя – на мелкозернистые (диаметр частиц до 0,4 мм), среднезернистые (0,4-0,8 мм) и крупнозернистые (более 0,8 мм). По виду используемых материалов фильтры делятся на однослойные и многослойные (рис. 3.14).

Рис. 3.14. Схемы фильтров с зернистой загрузкой:

а – однослойный с плавающей загрузкой; б – многослойный; в – контактный осветлитель:

1 – распределительный карман; 2 – корпус; 3 – фильтрующая загрузка; 4 – удерживающая решетка; 5 – дренажная система; 6 – распределительная система промывной воды; 7 – желоб для отвода фильтрата и промывной воды; 1, П, Ш, 1У – соответственно потоки очищаемой, очищенной, промывной и загрязненной промывной воды

В однослойных фильтрах загрузка состоит из зерен одного материала (рис. 3.14, а). Загрузка многослойного фильтра (рис. 3.14, б) состоит из нескольких слоев разных материалов, уложенных с уменьшением размера зерен по ходу воды. Контактный осветлитель (рис. 3.14, в) относится к группе многослойных фильтров, только в его работе используются коагулянты и флокулянты для укрупнения частиц взвеси. В этом аппарате крупность зерен уменьшается по ходу потока очищаемой воды. Такое распределение засыпного материала позволяет использовать весь объем фильтрующего слоя, иначе вся извлекаемая взвесь сосредоточилась бы на входе в фильтрующий слой, быстро забивая его.

Значительное влияние на работу узла фильтрации оказывает соотношение продолжительностей периодов фильтрования и регенерации фильтрующего слоя путем промывки его обратным потоком очищенной воды. Чем меньше рабочий период фильтра, тем меньше он забивается улавливаемой примесью и, следовательно, выше средняя скорость фильтрования. Однако при этом увеличивается общая продолжительность простоев фильтра из-за его остановки на промывку. Очевидно, что выбор указанного соотношения периодов очистки воды и промывки фильтрующего слоя является задачей на оптимизацию.

4.4. Гидроциклонирование

Отделение механических примесей в поле действия центробежных сил осуществляется в открытых или напорных гидроциклонах, многоярусных гидроциклонах и центрифугах.

Принцип действия гидроциклонов основан на сепарации частиц твердой фазы во вращающемся потоке жидкости. Величина скорости сепарирования частицы в поле гидроциклона может превышать скорость оседания эквивалентных частиц в поле гравитации в сотни раз.

К основным преимуществам гидроциклонов следует отнести:

- высокую удельную производительность по обрабатываемой суспензии;

- сравнительно низкие расходы на строительство и эксплуатацию установок;

- отсутствие вращающихся механизмов, предназначенных для генерирования центробежной силы; центробежное поле создается за счет тангенциального ввода сточных вод;

- возможность создания компактных автоматизированных установок.

Открытые гидроциклоны применяют для отделения из сточных вод крупных механических частиц со скоростью оседания 0,02 м/с. Преимущества открытых гидроциклонов перед напорными – большая производительность и малые потери напора, не превышающие 0,5 Па. Эффективность очистки сточных вод от механических примесей в гидроциклонах зависит от характеристик загрязнений (вида материала, размеров и форм частиц и др.), а также от конструктивных и геометрических характеристик самого гидроциклона.

На рис. 3.15 представлена схема открытого гидроциклона, состоящего из входного патрубка 1, кольцевого водослива2, трубы для отвода очищенной воды3и шламоотводящей трубы.

Рис. 3.15. Схема открытого гидроциклона:

1 – входной патрубок; 2 – кольцевой водослив; 3 – труба для отвода очищенной воды; 4 – шламоотводящая труба

Производительность открытого гидроциклона рассчитывается по формуле

Q = 0,785qD, (3.15)

где D– диаметр цилиндрической части гидроциклона,

q – удельный расход воды, определяемый по формуле:

q = 4,32 U, (3.16)

где U – гидравлическая крупность загрязняющего воду материала.

При проектировании открытых гидроциклонов рекомендуются следующие значения геометрических характеристик: D= 2-10 м; высота цилиндрической частиH=D, диаметр входного отверстияd=0,1D. Угол конической частиα = 60^о.

Напорные гидроциклоны (рис. 3.16) применяют для выделения из сточных вод механических частиц со скоростью осаждения менее 0,02 м/с. Производительность напорных циклонов определяется по формуле

(3.16)

где ρ– плотность очищаемой сточной воды,

k– опытный коэффициент, равный 0,524 для гидроциклонов с диаметром цилиндрической частиD = 0,125-0,6 м и углом конической части 30^о,

d– диаметр входного отверстия.

Рис. 3.16. Схема напорного гидроциклона:

1 – входной патрубок; 2 – труба для отвода воды; 3 – труба для отвода шлама

Многоярусные гидроциклоны по принципу выделения механических частиц из жидкости аналогичны напорным гидроциклонам. В камере гидроциклона устанавливают нескольких секций (ярусов), через которые последовательно проходит очищаемая вода. Это позволит более полно использовать объем гидроциклона и уменьшить время пребывания жидкости в циклоне.

Химическая очистка производственных сточных вод может применяться как самостоятельный метод перед подачей производственных сточных вод в систему оборотного водоснабжения, а также перед спуском их в водоем или городскую канализационную сеть. Применение химической очистки в ряде случаев целесообразно перед биологической или физико-химической очисткой. Химическая обработка находит применение также и как метод глубокой очистки производственных сточных вод с целью их дезинфекции, обесцвечивания или извлечения из них различных компонентов. К химическим методам очистки относятся: нейтрализация, осаждение, окисление и электрохимическая обработка.

Нейтрализация.Производственные сточные воды от технологических процессов многих отраслей промышленности содержат щелочи и кислоты. В большинстве кислых сточных вод содержатся соли тяжелых металлов, которые необходимо выделить из этих вод. Поэтому с целью предупреждения коррозии материалов канализационных сооружений, нарушения биохимических процессов в биологических окислителях и водоемах, а также осаждения из сточных вод солей тяжелых металлов кислые и щелочные стоки подвергают нейтрализации.

Реакция нейтрализации – это химическая реакция между веществами, имеющими свойства кислоты и основания, которая приводит к потере характерных свойств обоих соединений. Наиболее типичная реакция нейтрализации в водных растворах происходит между гидратированными ионами водорода и ионами гидроксида, содержащимися соответственно в сильных кислотах и основаниях:

Н⁺+ ОН^-= Н₂О.

В результате рН среды приближается к 7.

При химической очистке применяются следующие способы нейтрализации:

1) взаимная нейтрализация кислых и щелочных вод

2) нейтрализация реагентами (растворы кислот, негашеная известь СаО, гашеная известь Са(ОН)₂ , кальцинированная содаNa₂CO₃, каустическая содаNaOH, аммиакNH₄OH).

3) фильтрование через нейтрализующие материалы (известь, известняк, доломит СаСО₃.МgСО₃, магнезит МgСО₃, мел СаСО₃(96-99%).

4) в последнее время предложен способ нейтрализации щелочных вод дымовыми газами, содержащими СО₂,SО₂,NO₂ и др.

Окисление.Окислительный метод очистки применяют для обезвреживания производственных сточных вод, содержащих токсичные примеси, например, цианиды КСN, или соединения, которые нецелесообразно извлекать из сточных вод, а также очищать другими методами (сероводород, сульфиды).

В узком смысле окисление – реакция соединения какого-либо вещества с кислородом, а в более широком – всякая химическая реакция, сущность которой состоит в отнятии электронов от атомов или ионов. В практике обезвреживания сточных вод в качестве окислителя используют хлор, гипохлорит кальция или натрия, хлорную известь, диоксид хлора, озон, технический кислород и кислород воздуха.

Окисление активным хлором. Окисление ядовитых цианид-ионов СN- осуществляется путем перевода их в нетоксичные цианаты СNO- , которые затем гидролизуются с образованием ионов аммония и карбонатов:

CN- + 2OH- -2e = CNO- + OH; CNO- + 2H₂O = NH₄⁺ + CO₃ ^2-

Применение хлора здесь не надо путать с хлорированием сточных вод с целью их обеззараживания.

Электрохимические методы очисткиоснованы на электролизе производственных сточных вод. Основу составляют два процесса анодное окисление и катодное восстановление.

Осаждение. При этой операции получают нерастворимые осадки, которые затем могут быть захоронены либо использованы, например, в металлургической или другой промышленности.

К физико-химическим методам очистки относятся: коагуляция, флокуляция, сорбция, флотация, экстракция, ионный обмен, гиперфильтрация, ультрафильтрация, эвапорация, термоокисление, выпаривание, испарение, кристаллизация, высаливание, вымораживание, магнитная обработка, а также методы, связанные с наложением электрического поля – электрокоагуляция, электрофлотация, электродиализ и другие.

Коагуляция – это слипание частиц коллоидной системы при их столкновении в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты – более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления мелких (первичных). Первичные частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей дисперсной среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и уменьшением общего их числа в объеме дисперсной среды. Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных – гетерокоагуляцией.

Для очистки сточных вод применяют следующие коагулянты:

1.Соли алюминия: сульфат алюминия (глинозем) Al₂(SO₄)₃*18H₂O, алюминат натрияNaAlO₂, оксихлорид алюминияAl₂(OH)₂Cl, полихлорид алюминия [Al₂(OH)nCl6-n]m(SO₄)xгде 1<n<5m<10, алюмокалиевые [AlK(SO₄)₂*18H₂O] и алюмоаммонийные [Al(NH₄)(SO₄)₂*12H₂O] квасцы.

2.Соли железа: сульфат двухвалентного железа FeSO₄* 7H₂O, гидроксид железа, хлорид железаFeCl₃*6H₂O, сульфат трехвалентного железаFe₂(SO₄)₃*9H₂O;

3. Соли магния. Хлорид магния MgCl₂*6H₂O, сульфат магнияMgSO₄* 7H₂O.

4.Известь.

5.Шламовые отходы и отработанные растворы отдельных производств, содержащие перечисленные выше реагенты.

Количество коагулянта зависит от его вида, расхода, состава и требуемой очистки воды и определяется экспериментально.

Однако коагуляция, идущая с применением неорганических коагулянтов, имеет ряд недостатков, к которым относятся: неуправляемость процесса и малая эффективность работы аппаратуры, связанная с медленным гидролизом коагулянтов и малой скоростью хлопьеобразования. Поэтому стали применять процесс флокуляции.Процесс этот открыт Анри в 1903 году.

Флокуляцией называется процесс, при котором мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под влиянием специально добавляемых неорганических и органических веществ – флокулянтов образуют интенсивно оседающие рыхлые хлопьевидные скопления.

Флокулянты – линейные органические полимеры с очень высокой молекулярной массой. Схема образования агрегата при флокуляции носит название мостиковая модель. Механизм флокуляции следующий: 1)закрепление концов макромолекул на поверхности частиц, 2)адсорбция сегментов молекул на вакантных участках частиц. Наиболее эффективно процесс идет, когда размеры частиц соизмеримы с размером молекул. В других случаях эффективность флокуляции уменьшается.

Типы флокулянтов.

1.Неорганические флокулянты – активная кремниевая кислота или жидкое стекло mNa₂O*nSiO₂.m,nмодули жидкого стекла (чаще всего равны 2 и 5)

2.Вещества получаемые из растительного сырья – крахмал, эфиры.

3.Синтетические органические флокулянты – полиакриаламид, полиэтиленамин.

Коагуляция и флокуляция происходит в специальных камерах смешения, после которых осуществляются те или иные механические методы очистки.

Сорбция – это процесс поглощения вещества из окружающей среды твердым телом или жидкостью. Поглощающее тело называется сорбентом, а поглощаемое – сорбатом. Различают поглощение вещества всей массой жидкого сорбента (абсорбция) и поверхностным слоем твердого или жидкого сорбента (адсорбция). Сорбция, сопровождающаяся химическим взаимодействием сорбента с поглощаемым веществом, называется хемосорбцией.

В качестве сорбентов применяют различные искусственные и природные пористые материалы: золу, коксовую мелочь, торф, селикагели, алюмогели, активные глины. Эффективными сорбентами являются активированные угли различных марок.

Активность сорбента характеризуется количеством поглощаемого вещества на единицу объема или массы сорбента (кг/т) и она колеблется в пределах от 1 до 50 кг/т.

Процесс сорбции может осуществляться в статических условиях, при которых частица жидкости не перемещается относительно частицы сорбента (аппараты с перемешивающими устройствами), а также в динамических условиях, при которых частица жидкости перемещается относительно сорбента. Поэтому различают статическую и динамическую активность сорбента. При этом динамическая активность составляет 45-90% относительно статической.

Сорбционная очистка может быть регенеративной, когда извлеченные вещества утилизируются или десорбируются, или деструктивной, когда извлеченные вещества уничтожаются. В зависимости от назначения сорбционной очистки применяются различные методы регенерации сорбента или его уничтожения.

Еще к одному из видов сорбции относится ионный обмен. Ионообменная сорбция – процесс обмена между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности твердой фазы – ионита.

Очистка сточных вод методом ионного обмена позволяет извлекать и утилизировать ценные примеси, ПАВ, радиоактивные вещества, очищать сточную воду до ПДК с последующим использованием ее в технологических процессах или в системах оборотного водоснабжения.

По знаку обменивающихся ионов иониты делятся на катиониты и аниониты. Ведущая роль принадлежит синтетическим органическим ионитам – ионообменным смолам, которые подразделяются на следующие виды:

1)сильнокислотные катиониты, содержащие сульфогруппы SO3Hи сильноосновные аниониты, содержащие четвертичные аммониевые основания;

2)слабокислотные катиониты, содержащие карбоксильные СООН и фенольные группы, диссоциирующие при рН>7, а также слабоосновные аниониты, содержащие первичные NH2 и вторичныеNН аминогруппы, диссоциирующие при рН <7,

3)иониты смешанного типа, проявляющие свойства смеси сильных и слабых кислот или оснований.

Иониты характеризуются полной и рабочей емкостью. Полная емкость – количество ионов, которое может поглотить 1 кг ионита до полного насыщения, а рабочая емкость – количество находящихся в воде ионов, которое может поглотить 1 кг ионита до начала проскока в фильтрат.

Если катиониты находятся в Н- или Na-форме, обмен катионов будет проходить по реакциям:

Ме+ + Н(К) = Ме(К) + Н+

Ме+ + Na(К) = Ме(К) +Na+

Где Ме+ - катион, находящийся в сточной воде, (К) – сложный комплекс катионита.

Регенерация катионитов осуществляется промывкой кислотой (при Н-катионите) или раствором хлористого натрия (при Na-катионите)

2Ме(К) + Н₂SО₄= 2Н(К) + МеSО₄

Ме(К) + NaCl = Na(K) + MeCl

Поскольку в сточных водах, как правило, содержится несколько катионов, большое значение имеет селективность их поглощения. Для каждого вида катионита установлены ряды катионов по энергии их вытеснения.

Слабоосновные аниониты поглощают анионы сильных кислот

2(А)ОН + Н₂SО₄ = (А)₂SО₄+ 2Н₂О

Регенерация слабоосновных анионитов достигается фильтрованием через слой анионита 2-4%-ных водных растворов NaOH,Na₂CO₃,NH₄OH

Флотация процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела двух фаз, обычно газа (чаще воздуха) и жидкости, обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания.

Процесс очистки сточных вод, содержащих ПАВ, нефть, нефтепродукты, масла, волокнистые материалы, методом флотации заключается в образовании комплексов «частицы-пузырьки», всплывании этих комплексов и удалении образовавшегося пенного слоя с поверхности обрабатываемой жидкости. Прилипание частицы к поверхности газового пузырька возможно только тогда, когда наблюдается несмачивание или плохое смачивание частицы жидкостью.

Экстракция. При относительно высоком содержании в производственных сточных водах растворенных органических веществ, представляющих техническую ценность (например, фенолы и жирные кислоты), эффективным методом очистки является экстракция органическими растворителями – экстрагентами. Этот метод основан на распределении загрязняющего вещества в смеси двух взаимонерастворимых жидкостей соответственно его растворимости в них. Отношение взаимно уравновешивающихся концентраций в двух несмешивающихся растворителях при достижении равновесия является постоянным и называется коэффициентом распределения

Кр = Сэ/Своды = const.

После достижения равновесия концентрация экстрагируемого вещества в экстрагенте значительно выше, чем в сточной воде. После экстракции вода и насыщенный экстрагент разделяются. Затем сконцентрированное в экстрагенте вещество отделяется от растворителя и может быть утилизировано. Экстрагент после этого используется вновь в технологическом процессе очистки.

Электродиализ – процесс сепарации ионов солей, осуществляемый в мембранном аппарате под действием постоянного электрического тока, применяемый для опреснения высокоминерализованных сточных вод. Электродиализатор разделен чередующимися катионитовыми и анионитовыми мембранами, образующими концентрирующие (рассольные) и обессоливающие (дилюатные) камеры. Под действием постоянного тока катионы, двигаясь к катоду, проникают через катионитовые мембраны, но задерживаются анионитовыми, а анионы, двигаясь в направлении анода проходят через анионитовые мембраны, но задерживаются катионитовыми. В результате этого из одного ряда камер ионы обоих знаков выводятся в один ряд камер.

Обратный осмос (гиперфильтрация) – непрерывный процесс молекулярного разделения растворов путем их фильтрования под давлением через полунепроницаемые мембраны, задерживающие полностью или частично молекулы или ионы растворенного вещества. При приложении давления выше осмотического (равновесного) осуществляется перенос растворителя в обратном направлении (от раствора к чистому растворителю через мембрану) и обеспечивается достаточная селективность очистки. Необходимое давление, превышающее осмотическое, составляет при концентрации солей 2-5 г/л 0,1-1 МПа и при концентрации солей 20-30 г/л - 5-10 МПа.

Биологические методы очистки сточных вод. Биологическое окисление широко применяемый на практике метод очистки сточных вод, позволяющий очистить от многих органических соединений. Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших и ряд высокоорганизованных организмов, водорослей и грибов, связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма). Главенствующая роль в этом сообществе принадлежит бактериям, число которых варьируется от 10⁶до 10¹⁴клеток на 1 г сухой биомассы. Число родов бактерий может достигать 5-10, число видов – несколько десятков и даже сотен.

Различают очистку в естественных и искусственных условиях. К методам биологической очистки сточных вод в естественных условиях относятся: почвенная очистка, биологические пруды, биоплато. Методы биологической очистки сточных вод в искусственных условиях: биофильтры, аэротенки, окситенки, -погружные биофильтры, биотенки-биофильтры, анаэробные биофильтры.

Методы биологической очистки сточных вод в естественных условиях

Почва – это сложный комплекс органических и неорганических веществ, заселенный большим числом различных микроорганизмов. В почве отсутствуют благоприятные условия для развития патогенной микрофлоры, паразитирующей в организме человека, вследствие чего почва представляет собой надежный и мощных фактор обезвреживания сточных вод. В результате почвенной очистки одновременно решаются две основные задачи – минерализация внесенных органических веществ и обеззараживание.

Биологические пруды – искусственно созданные водоемы, в которых для очистки сточных вод используются естественные процессы. Эти пруды могут применяться как для очистки, так и для глубокой очистки сточных вод, прошедших биологическую очистку. Это последнее назначение биологических прудов имеет преимущественное распространение.

Различают пруды с естественной и искусственной аэрацией. Аэрация способствует улучшению деятельности микрофлоры, а также прямому окислению органики за счет кислорода воздуха.

Кроме окислительного действия микрофлоры и кислорода воздуха значительную активность в очистке принимает высшая водная растительность, которая своей корневой системой сорбирует и поглощает органические и неорганические вещества-загрязнители. Кроме этого водная растительность играет существенную роль в окислительных процессах, а также способствует снижению концентрации биогенных элементов и регулирует кислородный режим водоема.

Методы биологической очистки сточных вод в искусственных условиях

Всю совокупность сооружений биологической очистки разделяют на три группы по признаку расположения в них активной биомассы (или активного ила): 1) когда активная биомасса закреплена на неподвижном материале, а сточная вода тонким слоем скользит по материалу загрузки; 2) когда активная биомасса находится в воде в свободном (взвешенном состоянии); 3) когда сочетаются оба варианта расположения биомассы.

Первую группу сооружений составляют биофильтры, вторую – аэротенки, циркуляционные окислительные каналы, окситенки, третью – погружные биофильтры, биотенки, аэротенки с заполнителями.