8.4 Методы и способы очистки сточных вод.

1. Очистка сточных вод активным илом.

Биохимический способ очистки СВ от содержащихся в них органических загрязнений основан на аэробных биохимических процессах, в результате жизнедеятельности определенного набора микроорганизмов (биомассы), в рабочих отсеках очистных установках с принудительной аэрацией, так называемых аэротанках. Часто биомассу называют активным илом. В активном иле содержатся различные группы бактерий, плесневые и дрожжевые грибы. В нём также находятся разнообразные более организованные представители фауны: простейшие, коловратки, черви, личинки, водные клещи, т.е. все виды микроорганизмов, которые обычно присутствуют в сточной воде. В природе эти микроорганизмы питаются разнообразными веществами, содержащимися в воде. Процесс извлечения из сточной воды загрязнителей в естественных условиях идёт довольно медленно.

В биохимических установках специально искусственными приёмами поддерживается заданный объём жизнеспособных микроорганизмов, обрабатывающий определённый объём загрязнителей за минимально возможное время. Для поддержания требуемой жизнедеятельности микроорганизмов в сточные воды вводят соответствующее количество кислорода или воздуха.

В несколько упрощенном виде процесс усвоения загрязнителей микроорганизмами можно представить следующим образом. Содержащиеся в сточной воде загрязнители, в виде растворённых и находящихся в коллоидном состоянии органических веществ, задерживаются на поверхности активным илом, т.е. происходит процесс биосорбции (поглощение растворенных веществ). Затем начинается процесс биохимического окисления, который можно разделить на 2 этапа.

Первый этап – биохимическое окисление легко окисляемых органических веществ до углекислого газа и воды. Поскольку микробы не имеют специальных органов пищеварения, то необходимые для их жизни вещества попадают в клетку путём осмотического всасывания через мельчайшие поры клеточной оболочки, а затем усваиваются. Для осуществления данного процесса микробы выделяют специальные вещества – ферменты, которые размельчают питательные вещества до молекулярного состояния и затем помогают их усвоить. Питательное вещество, усвоенное клеткой, перерабатывается в протоплазму клетки. В сточных водах органические вещества находятся в виде белков, жиров, углеводов, а также в виде продуктов их обмена. Все они активно подвергаются биохимическому разложению, исключение составляют жиры, поэтому количество жиров в поступающей на обработку воде нормировано.

Второй этап – синтез клеточного вещества активного ила из оставшихся органических веществ в сточных водах, за счёт освободившейся энергии. На данном этапе размножения микроорганизмов активного ила замедляется из-за недостатка органических веществ, т.е. ил находится как бы в «голодном» состоянии. Это заставляет микроорганизмы активного ила использовать не только органические вещества, поступившие со сточной водой, но и большую часть органических веществ отмерших микроорганизмов, т.е. минерализовать органическую часть самого активного ила.

Цикл жизнедеятельности активного ила продолжается строго определенное время. Для того чтобы при благоприятных условиях органические вещества сточных вод превратились в органическое вещество микроорганизмов, а затем произошло самоокисление активного ила, требуется около 50 часов. Это означает, что сточные воды должны находиться в установке строго определённое время.

Развитие активного ила имеет ряд особенностей, к которым в первую очередь относится очень низкая скорость отмирания ила. Установлено, что скорость отмирания составляющих активного ила во много раз меньше, чем скорость их размножения. Это означает, что в нормально функционирующей установке, со временем, накапливается определенное количество избыточного активного ила. Избыточный ил следует периодически удалять из установки в судовую шламовую цистерну или за борт в разрешенных районах, т.к. он нарушает оптимальное соотношение между количеством поступающих загрязнителей и количеством активного ила, что отрицательно сказывается на жизнедеятельности водной биосферы. Кроме того, избыточный активный ил может быть вынесен с очищенной водой из отстойника в отсек обеззараживания, что значительно ухудшает качество обработанной воды. Количество скапливающегося избыточного активного ила обычно составляет (1-2 %) от объема обработанных сточных вод.

После обработки в аэротанке очищенные сточные воды отстаиваются, обеззараживаются и удаляются за борт.

2. Физико-химический.

Физико-химический метод очистки сточных вод на судах используется чаще механического. В судовых СВ до 60% органических загрязнителей находятся в коллоидном состоянии, что не позволяет удалить их фильтрацией или отстаиванием. Коллоиды представляют собой некристаллирующиеся мелкие вещества диаметром менее 0,0001мм, характеризуются наличием сил, поддерживающих взвесь в дисперсном состоянии в течение длительного времени. Поэтому для разделения коллоидной суспензии, например, посредством силы гравитации, необходимо выполнить агломерацию (присоединение и накопление) коллоидных примесей с образованием относительно крупных частиц, так называемых хлопьев загрязнений. Чаще всего эта задача решается с помощью химической обработки сточных вод.

Очистка с помощью химических реагентов.

Наибольшую сложность представляет удаление из сточных вод органических загрязнений, находящихся в коллоидном состоянии. Отдельные частицы удерживаются на определенном расстоянии друг от друга благодаря действию электрических сил отталкивания, вызываемых положительно заряженными ионами, которые адсорбируются из раствора на поверхности этих частиц. Величина сил отталкивания, развиваемых заряженным двойным слоем ионов на поверхности частиц, называется электрокинетическим потенциалом.

Между двумя частицами вещества возникают силы взаимодействия, вызывающие притяжение и отталкивание частиц. Беспорядочное движение коллоидов (броуновское движение), вызываемое «бомбардировкой» частиц молекулами воды, обуславливает увеличение сил взаимодействия. Однако в тех случаях, когда силы отталкивания превосходят силы притяжения, коллоидная система остается в дисперсном состоянии. Чтобы изменить это состояние и довести его до соединения (слипания) частиц в сточных водах вводят специальные коагулянты.

В качестве коагулянтов применяют хлорное железо, железный купорос, сернокислый алюминий и реже соли магния, цинка, титана. При добавлении в воду они вступают в реакцию с загрязнителями, способствуя их коагуляции. Коагуляция дестабилизирует дисперсную систему, образованную взвешенными в воде загрязнителями, способствуя соединению и слипанию частиц. Сущность химической коагуляции состоит в разделении коллоидного раствора на две фазы: растворитель и студнеобразная масса.

Существует два типа коагуляции: концентрационная и нейтрализационная.

Коагулирование многовалентными ионами происходит по нейтрализационному механизму, а одновалентными – по концентрационному. Коагуляция может также осуществляться и анодным растворением металлов или даже при определенных условиях простым изменением рН среды. Наибольшее применение получил сернокислый алюминий, который получают путем обработки серной кислотой сырой или обожженной глины (каолин, бокситы). В результате гидролиза солей в растворе образуются многоразовые ионы металлов, которые уменьшают силы отталкивания между коллоидными частицами путем сжатия диффузной части двойного электрического слоя, окружающего отдельные частицы. После нейтрализации сил отталкивания любое легкое перемешивание раствора приводит к сталкиванию частиц, а силы притяжения заставляют частицы слипаться друг с другом, что приводит к образованию крупных хлопьев.

3. Электрохимическая очистка.

Способ электрохмической очистки основан на пропускании через электролит постоянного тока с помощью погруженных электродов. В этом случае на аноде будут происходить анодное растворение металла, а на катоде будет выделяться водород в виде микропузырьков газа. Если разместить электроды в сточной воде, частицы загрязнителей будут прилипать к пузырькам водорода и всплывать, образуя на поверхности слой эмульсии. Одновременно с этим и ионы металла от анода будут перемещаться к катоду, при их встрече с гидроксильными группами образуются гидраты закиси или окиси металлов. При использовании железных или алюминиевых электродов в сточной воде появляются их окиси, которые и являются коагулянтами. Далее происходят процессы коагуляции и флотации и осуществляется очистка сточных вод. Этот способ очистки еще называют электрохимической коагуляцией.

Электрохимическая коагуляция требует значительных расходов металла и электроэнергии.

Очистка реагента напорной флотацией.

Суть этого способа заключается в сочетании химической обработки сточных вод коагулянтом, путем обеспечения их всплытия на поверхность с последующим удалением хлопьев загрязнителей. Эффективность данного способа зависит как от условий коагуляции, так и от создания оптимальных режимов флотации. Флотацию, применительно к очистке сточных вод, можно рассматривать как процесс извлечения из жидкости частиц загрязнителей, находящихся во взвешенном или коллоидном состоянии, за счет прилипания их к пузырькам воздуха, образующихся в жидкости или введенных в нее. Прикрепившиеся к пузырькам воздуха частицы всплывают на поверхность, образуя удаляемый слой пены.

Сущность способа напорной флотации пояснена на схеме прямоточной напорной флотации, которая представлена на рисунке. Из приемного резервуара 1, сточная вода забирается насосом 3 и перекачивается через напорный резервуар 4 в приемное отделение флотационной камеры 5. На всасывающем трубопроводе 2 насоса имеется патрубок для подсоса воздуха. Воздух, поступающий в насос, в результате повышения давления в напорном резервуаре, растворятся в воде. Объем напорного резервуара рассчитан на необходимую продолжительность насыщения. Значение давления, создаваемого насосом для различных вариантов очистки, может находиться в пределах (0,15…0,4) МПа и выше, но чаще всего оно составляет (0,2 - 0,3) МПа. Количество воздуха растворяющегося при таких значениях давления и температуры стоков (20…25)°С, составляет около 30л/кг. Этого количества достаточно для того, чтобы, после резкого снижения давления в приемной части флотационной камеры, образовалась воздухо-водяная эмульсия, за счет выделившихся из раствора микропузырьков, которые прилипнув к частичкам загрязнений, вынесут их на поверхность.

Рис. 8.4.1 – Схема процесса прямоточной напорной флотации

Собирающиеся на поверхности флотационной камеры шлам в виде пены скребковым транспортером 6 перемещается к шламоотводящей трубе. Очищенная вода удаляется из нижней части камеры.

Конструкция оборудования по обработке сточных вод

Установка типа «Био-Компакт».

Установки типа «Био-Компакт» работают по технологической схеме продленной аэрации (рис. 8.4.2). Фекальные и хозяйственно-бытовые воды по трубопроводу 6 поступают в аэротанк первой ступени 15, где перемешиваются и обрабатываются воздухом с помощью аэратора 2. Аэратор 2 расположен в аэротанке ассиметрично, чем обеспечивается естественная циркуляция стоков. Воздух на аэраторы подается компрессором 8. Частично окисленные стоки поступают по трубопроводу 3 для последующей обработки в аэротанк второй ступени 1. Избыточный воздух и продукты окисления удаляются по вентиляционной трубе 5.

Рис. 8.4.2 – Принципиальная схема установки «Био Компакт»

Окисленные стоки по трубопроводу 4 подаются в отстойник 13 для осветления. Осевший активный ил возвращается аэролифтом 14 в аэротанк первой ступени 1. Туда же аэролифтом 7 откачиваются всплывшие частицы. Осветленная вода их отстойника 13 направляется в камеру дезинфекции 12, где обрабатывается хлорсодержащими реагентами. Ввод реагентов в камеру 12 ведется насосом-дозатором 11. Периодическая работа насоса-дозатора 11, откачивающего насоса-измельчителя 16 обеспечивается автоматически. Регулирование уровня в камере 12 осуществляется датчиками 10. Вся система автоматики смонтирована в шкафу управления 9.

Установка типа «Юнекс-Био»

Установка «Юнекс-Био» фирма «Раума-Репола» (Финляндия) работает по принципу биологической очистки при аэробном бактериальном разложении компонентов сточно-фановых вод (продленная аэрация). Содержащиеся в сточной воде коли бактерии уничтожаются химическими реагентами.

Принципиальная схема установки «Юнекс-Био» представлена на рис. 8.4.3

Рис. 8.4.3 –Принципиальная схема установки «Юнеск-Био»

Установка состоит из четырех отсеков: сборного, аэрационного, отстойного и хлорировочного. Из судовой фановой системы сточные воды поступают в приемный сборный отсек 7, куда через перфорированную трубу, уложенную на дне отсека, подается воздух. Благодаря этому начинается биологическое разложение загрязнителей, размельчение крупных частиц и окисление органических веществ содержащихся в сточных водах.

Вновь поступающая СВ вытесняет воду из приемного отсека в аэротанк 5, пройдя при этом решетку 6, на которой задерживаются крупные включения, а также бумага и ветошь. В нижней части аэротанка расположены перфорированные трубопроводы 8, через которые постоянно подается воздух от специальных воздушных компрессоров, входящих в состав установки.

Это делается для того, чтобы обеспечить перемешивание сточных вод с активным илом, а также для насыщения воды кислородом, необходимым для протекания биохимических процессов. Поэтому очень важно, чтобы воздух в виде мелких пузырьков равномерно распределялся по всему объему аэротанка. В аэротанке происходит основной процесс биохимической обработки сточных вод микроорганизмами.

При поступлении в установку новой порции СВ такая же порция воды из аэротанка в смеси сточных вод с активным илом перетекает в отстойник 4, где отделяются обработанная сточная вода и хлопья активного ила. Биохимический процесс на этом заканчивается.

При поступлении в установку новой порции СВ такая же порция воды из аэротанка в смеси сточных вод с активным илом перетекает в отстойник 4, где отделяются обработанная сточная вода и хлопья активного ила. Биохимический процесс на этом заканчивается.

Осевший на дно конической формы отстойника активный ил, направляется с помощью специального устройства – аэролифта 9, в начало процесса очистки, а осветленная вода вытесняется в отсек обеззараживания 3 новыми порциями сточных вод. В отсеке обеззараживания в очищенную воду насосом – дозатором 2, из специальной емкости 1, подается 10%-ный раствор гипохлорита натрия. Необходимая для надежного обеззараживания 30-минутная выдержка обеспечивается определенным объемом отсека и расчетным расходом сточных вод. Естественно, выдержка в отсеке обеззараживания уменьшается. Избыточный минерализованный ил периодически удаляется из установки за борт выгружным насосом10 или сжигается.

При достижении обработанной водой определенного уровня срабатывает поплавковый датчик, который включает выгружной насос 10. На этом процесс обработки сточных вод в установке заканчивается. Очищенная и обеззараженная вода сливается за борт.

В состав установки входят: 2 воздушных компрессора, устройство для хлорирования очищенной воды, 2 насоса для откатки очищенной воды. Фирмой выпускаются судовые установки четырех типоразмеров для экипажей численностью от 20 до 80 человек.

Установка типа «Юнекс-Симултан – 15».

Принципиальная схема установки «Юнекс-Симултан-15» (Финляндия), представлена на рисунке 8.4.4

Рис. 8.4.4 – Принципиальная схема установки «Юнеск-Симултан-15»

Установка способна переработать до 6м³/сут. сточных вод.

Принцип очистки смешанный, классический биохимический процесс совмещен с химической обработкой коагулянтом. Обеззараживание достигается введением в очищенную воду хлорсодержащего раствора с последующей выдержкой.

Сточная вода поступает непосредственно из судовой системы в отсек предварительной аэрации 7, где происходит первичное окисление органических загрязнителей. С этой целью в отсек предварительной аэрации 7 подается воздух от компрессоров 10 через перфорированную трубу 11, уложенную на дне отсека. Один из компрессоров работает, а второй – резервный.

Следующие порции, поступающей в установку, сточные воды вытесняют предварительно обработанную воду в отсек аэрации 6 через щель в нижней части перегородки, разделяющей отсеки 6 и 7, где процесс аэрации продолжается. Кроме того, в него, через определенное время из расходной емкости 9 подается раствор коагулянта. Этот реагент способствует образованию хлопьев загрязнителей. Таким образом, в отсеке 6 совмещены биохимический и химический процессы очистки, т. е. загрязнители подвергаются двойному воздействию окислительному – со стороны микроорганизмов и химическому – со стороны коагулянта. На этом процесс обработки загрязнителей заканчивается.

Из отсека 6 вода перетекает в отстойник 4, где хлопья активного ила и скоагулированных частиц загрязнителей осаждаются на дно, имеющее конусную форму. Осадок с помощью аэролифта через приемное устройство 12 постоянно отсасывается из конусной части отстойника и подается в отсек 6 на начало процесса очистки, способствуя тем самым сокращению времени на окисление загрязнителей.

Установки «Юнекс-Симултан-15» оборудованы специальным устройством для автоматического удаления избыточного шлама в отсек 8. Оно состоит из магнитного клапана 5 и дополнительного аэролифта. Данное устройство необходимо включать в том случае, когда объем осадка в мерном цилиндре превысит установленное значение. Устройство обеспечивает периодический сброс части шлама (осадка) из отстойника в отсек 8.

После осаждения загрязнителей очищенная вода перетекает в отсек обеззараживания 3, в который из расходной емкости 1 насосом 2 подается регулируемая доза хлорсодержащего реагента, т. е. осуществляется обеззараживание воды.

Обеззараженная вода из отсека 3 насосом 13 откачивается за борт.

Установка типа «Сток – 150»

Принципиальная схема установки «Сток-150» представлена на рис. 8.4.5

Рис. 8.4.5 – Принципиальная схема установки «Сток-150»

Установка представляет собой агрегат, скомпонованный из трех блоков.

Особенностью установки является использование озона для обеззараживания сточных вод.

Обработка СВ осуществляется следующим образом. Из судовой сборной цистерны сточные воды подаются на фильтр грубой очистки 13. Здесь отделяются крупные загрязнители, которые потоком сточной воды отводятся назад в судовую сборную цистерну. После фильтра грубой очистки сточная вода поступает в приемный танк12, откуда насосом14подается в смеситель16и перемешивается в нем с воздухом, поступающим из судовой магистрали сжатого воздуха. Для обеспечения необходимого контакта растворения воздуха в сточных водах, при повышенном давлении, служит напорный танк5. Из этого танка часть не растворившегося воздуха в смеси со сточными водами возвращается в приемный танк. Основная часть насыщенной воздухом сточных вод поступает в смеситель6, где смешивается с коагулянтом, подаваемым из расходного бака7насосом-дозатором8.

Затем сточная вода поступает во флотационный танк 9.Здесь из сточной воды отделяются загрязнители и всплывают на поверхность воды, образуя слой пены. Накапливающиеся на поверхности загрязнители скребковым транспортером10удаляются в шламовый танк11. По мере накопления шлам насосом15откатывается в шламовую цистерну.

Из флотационного танка вода насосом 4через эжектор3подается на окончательную очистку в напорный фильтр2. В эжекторе3от генератора озона 17подается озоновоздушная смесь. Избыток этой смеси с частью воды из верхней части фильтра возвращается во флотационный танк, а основная часть воды из фильтра насосом18подается на обеззараживание в контактное устройство1, откуда очищенная и обеззараженная вода удаляется за борт.

Одним из важных элементов обслуживания установки является подготовка раствора коагулянта необходимой концентрации. В случае использования сернокислого алюминия рекомендуется использовать 10-15%-ный раствор.

После флотации, вода доочищается в фильтре. Загрузка фильтра постепенно загрязняется и нуждается в промывке. Для этого предусмотрена специальная система с подачей использованной промывочной воды в судовую сборную цистерну.

Использование озона в качестве обеззараживающего вещества является отличительной особенностью установки «Сток-150».

Установка типа «Хамман Вассертекник»

Принципиальная схема станции очистки сточный вод приведена на рис. 8.4.6

Рис. 8.4.6 – Принципиальная схема установки "Хамман Вассертекник":

1-насос подачи сточных вод; 2-фильтр-отделитель; 3-выход сточной воды к водоочистительной станции;4-патрубок выдачи сухой фазы; 5-водоочистительная станция; 6-патрубок входа сточной воды (на очистку); 7-подача сжатого воздуха; 8-расходомер; 9-запорный клапан с приводом от электродвигателя; 10-запорный клапан мембранного типа; 11-насос-дозатор хлорсодержащего вещества; 12-емкость с хлорсодержащим веществом; 13-вихревая камера прохода смеси воды с хлором; 14-устройство защиты насоса 15 от работы в сухую; 15-винтовой насос; 16-фильтры; 17-кран для отбора пробы; 18-шламовый насос; 19-вход воды для промывки танка станции; 20-запорный клапан шламового насоса; 21-приводной электродвигатель отделителя.

Из туалетов и душевых сточная вода попадает в сборный танк, при ее накоплении включается в работу насос 1 и сточная вода попадает в фильтр-отделитель с 3-х миллиметровым экраном и медленно вращающимся шнеком. В процессе прохождения сточных вод через отделитель, экран задерживает твердые частицы (твердая фаза), а сточные воды самотеком или под давлением поступают на станцию обработки и очистки. Твердые частицы продвигаются по шнеку к конической оконечности отделителя, сжимаясь двумя гидроцилиндрами, приводимыми в действие электродвигателем. При опрессовке твердой фазы, сила тока в приводном электродвигателе повышается, что является сигналом для гидроцилиндров, которые отходят назад, давая возможность конической оконечности открыться для выгрузки осушенной и спрессованной твердой массы в пластиковый мешок. Эта операция продолжается до тех пор, пока нагрузка на приводной электродвигатель не снизится, т. е. сила тока уменьшится до нормального значения, что является сигналом для закрытия гидроцилиндрами конической оконечности и далее процесс отделения твердой фазы от жидкости повторяется.

Вода после отделителя попадает в водоочистительную станцию 5, где последовательно проходит процесс коагуляции и флотации.

Для коагуляции сточных вод используется электрохимический способ, т. е. коагуляция происходит за счет растворения алюминиевых электродов и насыщения ионами алюминия потока сточных вод при ее движении в межэлектродном пространстве. Мелкие частицы загрязнителей укрупняются вокруг частиц гидроокиси алюминия с образованием хлопьев, которые затем удаляются из воды флотацией. Загрязнители в виде хлопьев накапливаются в емкости станции обработки с последующим удалением, через клапан 20, шламовым насосом 18.

Далее очищенная вода винтовым насосом 15 направляется в вихревую камеру 13. В приемный трубопровод винтового насоса 15 врезан нагнетательный трубопровод насоса-дозатора 11, который из емкости 12 подает хлорсодержащее вещество дозами в очищенную сточную воду для обеззараживания. Процесс обеззараживания очищенной сточной воды требует времени, поэтому смесь воды с хлорсодержащим веществом проходя по змеевику выдерживается это рекомендованное время до полного разрушения бактериальных клеток.

Для электрохимического образования активного хлора требуется, чтобы в воде находилось определенное количество солей, для чего в схеме установки предусмотрена система подсаливания поступающей на очистку сточной воды. Соленая вода, на очистную станцию 5, поступает из магистрали забортной воды через клапана 9, 10 и расходомер 8. Доза забортной воды регулируется автоматически в пределах от 15000 до 45300 л/ч.

После вихревой камеры 13 очищенная и обеззараженная вода поступает на слив за борт или обратно в фановую систему через клапана и фильтры 16. Кран 17 служит для отбора проб на анализ.

Процесс обработки, очистки и обеззараживания производится с помощью автоматической системы MAS, которая обеспечивает дистанционное управление обработкой сточных вод. Это реализовано на двух блокахEVAC, которые являются связующими звеньями для терминаловLISи главной автоматической системыMAS.

Блоки EVACпередают информацию на терминалLIS, откуда она предается на терминалMASв ЦПУ.

Автоматической системой MASпредусмотрено четыре рабочих режима:

- выгрузка фановых вод (накопление);

- стоянка в порту;

- судно в море;

- опорожнение емкостей от шлама.

Опорожнение очищенной сточной воды происходит в режиме «судно в море», при этом режиме программа включает шламовые насосы откачки за борт.

Показатели качества сточных вод

В соответствии с резолюцией МЕРС 159 (55) принято «Пересмотренное руководство по осуществлению стандартов стока и проведению рабочих испытаний установок для обработки сточных вод». Руководство вводится с 1 января 2010 года и устанавливает более жёсткие стандарты.

Показатели	Максимальное допустимое численное значение
Среднее количество кишечных палочек (терморезистивных)	1000 шт/л
Среднее количество общего содержания взвешенных частиц	35 мг/л
Биохимическая потребность в кислороде – БПК 5	25 мг/л
Химическая потребность в кислороде - ХПК	125 мг/л
Показатель рН	6-8,5

В отношении обеззараживания сточных вод вводится ограничение по остатку обеззараживающего средства в стоке на уровне ниже 0,5 мг/л. Поощряется использование для обеззараживания озона, ультрафиолетового излучения или любых других средств, которые сводят к минимуму отрицательное воздействие на окружающую среду.

Литература: [9];[10]

Вопросы самопроверки:

1. Условия сброса льяльных вод МКО в особом районе, вне особого района с танкеров и судов, не являющихся танкерами.

2. Назвать методы очистки сточных вод.

3. Перечислить методы очистки нефтесодержащих вод.

4. Назвать показатели качества сточных вод после обработки в установках.