IV. Методы очистки производственных сточных вод на железнодорожном транспорте

На долю пресной воды, которую использует человечество для своих потребностей, приходится лишь малая часть общих водных ресурсов Земли. И этой воды вполне хватало вплоть до середины двадцатого столетия. Научно-технический прогресс за относительно короткое время нарушили сложившееся веками естественное равновесие во всех звеньях круговорота, изменив качество циркулирующей воды. Это привело к тому, что уже в некоторых зонах земного шара возникли проблемы с достаточностью пресной воды, а во многих регионах, хотя пресной воды пока еще достаточно, но она уже сильно загрязнена. В связи с этим рациональное использование и охрана водных ресурсов приобретают всё большее значение.

Воды, удаляемые после их использования, называются сточными. При этом вода, использованная на бытовые и производственные нужды, получает загрязнения, изменяющие её первоначальный химический состав или физические свойства. Она подлежит удалению с территории населенного пункта или производственного объекта.

В зависимости от происхождения, вида и качественной характеристики примесей сточные воды подразделяются на бытовые, производственные и атмосферные.

К бытовым - относятся воды от кухонь и туалетных комнат, душевых и прачечных, а также от предприятий общественного питания и лечебных заведений.

К производственным - относятся воды, образовавшиеся при проведении различных

162

технологических процессов, добыче полезных ископаемых, а также вода, прошедшая через загрязненную территорию предприятий и не пригодная для вторичного использования.

Производственные сточные воды можно разделить на две категории: загрязненные и условно чистые. Загрязненные сточные воды, в свою очередь, можно разделить на три группы: загрязненные преимущественно органическими примесями, загрязненные преимущественно минеральными примесями и загрязнение смесью этих примесей.

Количество и состав производственных сточных вод зависят от технологических процессов, режимов их проведения, состава сырья и выпускаемой продукции, от состава исходной свежей воды и др.

На предприятиях железнодорожного транспорта сточные воды образуются в основном при охлаждении аппаратуры, при промывке изделий, при травлении и нанесении гальванических покрытий, при окраске изделий и при охлаждении станочного парка эмульсиями. Основными загрязняющими веществами сточных вод ремонтных цехов, локомотивных и вагонных депо являются масла, эмульсии, различного рода соды и т.д.

Ливневые воды образуются в результате выпадения атмосферных осадков, таяния снега и полива территории. В составе ливневых сточных вод много песка, глины, мусора, нефтепродуктов и специфических примесей, характерных для того или иного производства.

Оценивая сточные воды при сбросе их в водоемы необходимо учитывать вид водопользования данного водоема.

163

Различают хозяйственно-питьевое, рыбохозяйственное, промышленное и сельскохозяйственное водопользование.

При классификации методов очистки и удаления примесей из сточных вод в качестве классификационных признаков используются такие как:

- физико-химическая сущность метода , применяемая

при очистке воды;

- характеристика сил, воздействующих на примесь;

- характеристики примесей, содержащихся в сточной

воде;

- способность примесей изменять свое состояние в

процессе очистки.

Исходя из этих классификационных признаков, различаются и методы очистки воды.

В настоящее время широко используются такие традиционные методы очистки как:

-механические;

- химические;

- физико-химические;

- биологические.

К механическим методам очистки относятся:

-процеживание;

- отстаивание;

-осветление во взвешенном слое осадка;

-фильтрование;

- центробежные методы сепарации.

Механическая очистка применяется для выделения из сточных вод нерастворимых минеральных и органических примесей. Чаще всего механическая очистка является предварительным, реже – окончательным этапом очистки производственных сточных вод. Она обеспечивает

164

выделение взвешенных веществ до 90-95% и снижение органических загрязнений по показателю БПК (биохимической потребностью в кислороде) до 25%.

Стандартная схема очистки на очистных станциях состоит из процеживания через решетки, пескоулавливания, отстаивания и фильтрования. В ряде случаев используются нефтеловушки, гидроциклоны и жидкостные сепараторы.

К химическим методам очистки сточных вод относятся:

- нейтрализация;

- окисление;

- восстановление;

- реагентные методы выделения загрязняющих веществ в

виде нерастворимых или малорастворимых примесей.

Химическая очистка сточных вод производится в оборотной системе водоснабжения, а также перед спуском воды в водоем или городскую канализацию. Этот метод применяется также для предварительной очистки сточной воды перед биологической или физико-химической очисткой, а также в системах локальной очистки производственных сточных вод.

Нейтрализация сточных вод производится для снижения содержания в них кислот или щелочей. Практически нейтральными считаются воды с рН = 6,5 8,5.

Окислительный метод используют для обезвреживания производственных сточных вод от цианидов, сероводорода, сульфидов и других веществ.

В качестве окислителей наиболее часто используется хлор, гипохлорид кальция, хлорная известь, диоксид хлора, озон, технический кислород и кислород воздуха. Иногда используют пероксид водорода, окислы марганца, перманганат и бихромат калия.

165

Метод восстановления используется при содержании в сточной воде легковосстанавливаемых соединений меди, хрома, мышьяка и ртути. В качестве реагентов восстановителей наибольшее распространение получили натриевые соли сернистой кислоты, а также сульфиды железа и диоксид серы.

Реагентные методы находят применение для перевода растворимых примесей в малорастворимые с последующим их выделением из воды. Этот метод используется для очистки производственных сточных вод от соединений тяжелых цветных металлов (медь, никель, кобальт, цинк, свинец, ртуть). Их осаждают в виде соответствующих гидроксидов, сульфатов или карбонатов.

Для выделения из кислых сточных вод тяжелых цветных металлов и железа используют те же реагенты, что и при нейтрализации.

Физико-химические методы очистки производственных сточных вод играют существенную роль. Наиболее широкое распространение получили такие способы или методы очистки как:

- коагуляция;

- сорбция;

- флотация;

-мембранный метод.

Эти методы используются как самостоятельно, так и в сочетании с механическими и биологическими методами. Наиболее эффективное применение физико-химических методов очистки достигается в локальных очистных системах промышленных предприятий.

Коагуляция- это процесс укрупнения дисперсных частиц за

166

счет их взаимодействия и объединения в агрегаты. Мелкие частицы соединяются силами межмолекулярного взаимодействия. Вещества, способные вызвать коагуляцию частиц называются коагуляторами. К ним можно отнести соли аммония, и железа. К факторам, способным вызвать коагуляцию можно отнести изменение температуры, перемешивание жидкости, воздействие излучения или электрического заряда. Значительное влияние на процесс коагуляции оказывает добавление в воду электролитов.

При очистке производственных сточных вод основное применение нашел процесс гетерокоагуляции, который можно определить как взаимодействие коллоидных и мелкодисперсных частиц сточной воды с агрегатами, образующимися при введении в сточную воду коагулянтов.

Сорбция – это процесс поглощения вещества из сточной воды твердым или жидким сорбентом. Поглощение вещества жидким абсорбентом происходит по всему объему воды. При поглощении твердым адсорбентом поглощение вещества из сточной воды происходит на поверхности адсорбента.

Сорбционная очистка используется для удаления из сточной воды ароматических соединений, красителей, слабых электролитов, непредельных соединений и гидрофобных алифатических соединений. В качестве сорбентов применяют активированные угли, силикагели, алюмогели, золу, коксовую мелочь, торф, шлаки и активные глины.

Флотация – это процесс насыщения сточной воды пузырьками, вместе с которыми на поверхность всплывают сильнодиспергированные загрязнения. Флотация широко используется для очистки производственных сточных вод от

167

нефти и нефтепродуктов, масел и различных волокнистых материалов. Эффект прилипания пузырька воздуха к поверхности частицы достигается только в том случае, если жидкость плохо её смачивает.

Обратный осмос и ультрафильтрация – это мембранные методы разделения жидких систем. Разделяемый раствор вводится в соприкосновение с полупроницаемой мембраной с одной её стороны. Метод обратного осмоса заключается в фильтровании растворов под давлением через мембраны, пропускающие растворитель и полностью или частично задерживающие молекулы растворенного вещества.

Метод обратного осмоса может быть использован для извлечения из сточной воды эмульгированных масел, смазок, фенолов, ионов тяжелых металлов.

К термической обработке сточных вод относятся:

- концентрирование сточных вод с последующим выделением растворенных веществ;

- окисление органических веществ, загрязняющих сточные воды;

- огневая переработка.

Метод концентрирования сточных вод используют для выделения из них минеральных солей, а очищаемая вода используется в оборотной системе водоснабжения. Для концентрирования растворов используются методы выпаривания, вымораживания и кристаллогидратный метод. В последнем случае в сточную воду добавляют гидратообразующие агенты, к которым относятся пропан, хлор, хладоны, диоксид углерода и др. Часть молекул воды переходит в состав гидратообразующих агентов, а концентрация примесей при этом возрастает.

168

Биологический метод – очистки сточных вод используется для очистки от органических и неорганических загрязнителей в результате способности некоторых микроорганизмов использовать загрязняющие сточные воды вещества для питания в процессе своей жизнедеятельности.

Основной процесс – это биологическое окисление сообществом различных бактерий, простейших водорослей, грибов и др.

Очистку сточных вод проводят в аэробных и анаэробных условиях. Оптимальной температурой для осуществления аэробного процесса считается 20 30⁰С. Для этого в среде необходимо обеспечивать достаточную концентрацию органического углерода, азота и фосфора. Концентрация растворенного кислорода должна быть не ниже 2 мг/л.

К естественным методам очистки относятся почвенные методы и очистка в биологических прудах. Очистка сточных вод в этом случае происходит под действием почвенной микрофлоры, солнца, воздуха и под влиянием жизнедеятельности растений. При искусственной аэрации в нижнюю часть пруда подводится воздух.

В сооружениях искусственной биологической очистки активная биомасса может находится на неподвижном материале, а вода скользит по материалу загрузки

(биофильтры).

Активная биомасса может находиться во взвешенном состоянии ( аэротенки).

Возможно, использовать и эти два способа одновременно (погруженные биофильтры и биотенки).

169

Пример 24

Определение необходимой степени очистки сточной воды перед её сбросом в водоём по количеству взвешенных веществ

Для определения требуемой степени очистки сточной воды от загрязняющих взвешенных примесей необходимо определить конечную концентрацию загрязнений в сточной воде после очистки перед её сбросом в водоём , г/м³.

Конечная концентрация взвешенных веществ в сточных водах перед их сбросом в водоём определяется из следующего выражения:

(24.1)

где - концентрация взвешенного вещества в сточной воде, при которой не будут превышены допустимые пределы загрязнения водоёма (г/м³);

- концентрация этого же взвешенного вещества в водоёме выше места сброса сточной воды (г/м³);

- коэффициент смешения, показывающий, какая часть расхода воды в водоёме смешивается со сточными водами в расчётном месте сброса.

- расход воды в водоёме у места сброса сточной воды (м³/с);

170

- расход сточной воды, поступающей в водоём;

- предельно допустимая концентрация взвешенного вещества в воде водоёма (г/м³).

Для определения коэффициента смешения « » используется следующая формула:

, (24 .2)

где - расстояние от места сброса сточной воды до расчётного створа водозабора из водоёма (м);

- коэффициент, учитывающий влияние гидродинамических факторов на процесс смешивания сточной воды с водой водоёма.

Этот коэффициент определяется по формуле:

, (24 .3)

где - коэффициент, учитывающий влияние извилистости русла реки после точки сброса. Для прямого участка =1, для русла реки с большим количеством поворотов ≈1,5;

- фактор, учитывающий турбулентность течения воды в водоёме. Он определяется по формуле:

, (24 .4)

где - средняя глубина водоёма в районе сброса сточной воды (м);

171

- средняя скорость течения воды в водоёме (м/с).

Определив по формуле (24.1) , оценивают необходимую степень очистки сточной воды от взвешенных примесей перед их сбросом в водоём. Для этого

используется формула:

(24 .5)

По полученной величине степени очистки принимаются варианты способа очистки.

Варианты условий для решения задачи

N варианта	Расход воды в водоёме , м3/с	Расход сточной воды , м3/с	Средняя глубина водоёма , м	Средняя скорость воды в водоёме , м/с	Начальная концентрация взвеси в сточной воде , г/м3
1	10	0,1	2	0,3	100
2	12	0,12	2	0,3	100
3	14	0,11	2	0,3	110
4	16	0,13	3	0,27	110
5	18	0,15	3	0,27	120
6	20	0,16	3	0,27	120
7	22	0,17	3	0,29	130
8	24	0,18	2,5	0,29	130

172

Варианты условий для решения задачи

N варианта	Расход воды в водоёме , м3/с	Расход сточной воды , м3/с	Средняя глубина водоёма , м	Средняя скорость воды в водоёме , м/с	Начальная концентрация взвеси в сточной воде , г/м3
9	26	0,19	2,5	0,29	140
10	28	0,20	3,5	0,31	140
11	30	0,18	3,5	0,32	150
12	29	0,19	3,5	0,33	150
13	27	0,17	4,0	0,32	160
14	25	0,16	4,0	0,31	160
15	23	0,14	3,3	0,3	170
16	21	0,15	3,4	0,29	170
17	19	0,12	3,0	0,29	160
18	17	0,11	2,9	0,26	160
19	15	0,13	2,9	0,26	150
20	13	0,1	2,7	0,25	150
21	11	0,11	2,5	0,25	120
22	9	0,1	1,9	0,4	120
23	7	0,09	1,8	0,4	110
24	8	0,08	1,6	0,45	110
25	6	0,07	1,5	0,45	100
26	5	0,06	1,6	0,45	100
27	14	0,09	2,2	0,28	130
28	16	0,12	2,4	0,28	130
29	18	0,13	2,5	0,25	140
30	20	0,14	2,8	0,25	140

173

Задача 25

Определить основные размеры нефтеловушки в оборотной системе водоснабжения промывочно-пропарочной станции

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 счёт разности их плотностей. Нефть и нефтепродукты всплывают на поверхность, а содержащиеся в сточной воде взвешенные примеси оседают на дно. Принципиальная схема нефтеловушки представлена на рис.25.1. В горизонтальной нефтеловушке нефть всплывает на поверхность очищаемой воды в отстойной камере. Длина отстойной камеры ограничена нефтеудерживающий перегородкой (5). Удаление нефти с поверхности воды в нефтесборный лоток (4) осуществляется с помощью скребкового транспортёра (6). С его помощью происходит и удаление осевшей на дно взвеси в приямок для осадка (7). Работа нефтеловушки характеризуется следующими параметрами:

• скорость движения воды в отстойной зоне нефтеловушки рекомендуется принимать от 5 до 10 мм/с;

• глубина отстаиваемого слоя воды 1 1,5 м;

• ширина нефтеловушки (одной секции) 2 3 м; рекомендуется принимать не менее двух секций.

174

Расход воды через одну секцию нефтеловушки определяется по формуле:

G_секц · B · h · W_e , м³/с (25.1)

где , м – ширина секции нефтеловушки;

h, м – глубина слоя воды в отстойной зоне нефтеловушки;

, м/с – скорость перемещения воды в отстойной зоне нефтеловушки.

Число секций нефтеловушки определяется:

, шт (25.2)

где , м³/с – расход очищаемой воды.

Применительно к оборотной системе водоснабжения промывочно-пропарочной станции расход очищаемой воды можно определить по формуле:

, м³/с (25 .3)

где , м³ – расход воды на промывку одной

175

цистерны (по нормативам рекомендуется принимать 15 м³);

- количество обрабатываемых цистерн за сутки;

- коэффициент часовой неравномерности обработки цистерн в течение суток.

Полученное по формуле (25.2) число секций нефтеловушки округляется до целых величин и при этом корректируется расход воды через секцию нефтеловушки и скорость движения воды в отстойной зоне , м/с по формулам ( 25.1) и (25 .2).

Длина отстойной зоны нефтеловушки определяется из условия равенства времени всплытия частиц нефтепродуктов со дна нефтеловушки на поверхность и времени перемещения воды в отстойной зоне.

, м ( 25.4)

Для этого предварительно необходимо определить скорость всплытия нефтечастицы в воде - , м/с. На частицу нефти в воде в процессе всплытия действуют архимедова сила и сила вязкостного трения. Первая направлена вверх и определяется разностью плотностей воды и нефти.

Вторая направлена вниз и определяется сопротивлением частицы нефти при движении в воде.

176

Величина сопротивления зависит от размера частицы нефти, скорости её всплытия и температурой воды в нефтеловушке.

При условии равенства этих сил частица нефти всплывает с постоянной скоростью , определяемой по формуле:

, м/с (25 .5)

где - принятый по заданию минимальный размер нефтечастицы, всплывающей на поверхности воды (м);

- коэффициент кинематической вязкости воды при заданной температуре (м²/с).

Для температуры = 20°С коэффициент кинематической вязкости можно принять = 10^-6 м²/с,

для = 10°С - = 1,3 · 10^-6 м²/с,

для = 25°С - = 0,80 · 10^-6 м²/с.

- плотность нефтепродуктов, = 900 950 кг/м³;

- плотность воды, = 1000 кг/м³.

С учётом возможной турбулизации воды, перемещаемой в отстойной зоне нефтеловушки, скорость всплытия частиц нефти может уменьшиться на величину турбулентной составляющей скорости воды. С достаточной точностью её можно принимать:

177

(25 .6)

Таким образом, реальная скорость всплытия уменьшается до величины

(25 .7)

Требуемая при этом длина отстойной зоны нефтеловушки определяется:

h (25 .8)

Эффективность очистки в спроектированой нефтеловушке определяется процентным составом фракций нефтечастиц, размер которых больше заданного минимального размера. Более мелкие фракции нефти в ловушке улавливаться не будут.

178

Рисунок 25.1.

Схема нефтеловушки

1 – корпус нефтеловушки

2 – гидроэлеватор для удаления взвесей

3 – слой нефти

4 – нефтесборная труба или лоток

5 – нефтеудерживающая перегородка

6 – скребковый транспортёр

7 – приямок для осадка взвеси

8 – подвод грязной воды

9 – отвод очищенной воды

179

Варианты условий для решения задачи

№ варианта	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
кол-во обрабатывае-мых цистерн/сутки N	50	60	70	80	90	100	40	30	110	120
коэф-нт часовой неравномерности К	1,5	1,4	1,4	1,3	1,3	1,2	1,6	1,6	1,2	1,2
Наимень-ший размер частиц нефти r 106	40	50	50	60	60	40	70	70	45	45
Скорость движения воды Wв м/с	5· 10-3	10· 10-3	9· 10-3	6· 10-3	6· 10-3	7· 10-3	7· 10-3	8· 10-3	8· 10-3	9· 10-3
Темпера- тура воды, t0 C	20	20	20	20	20	25	25	25	25	25
№ варианта	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
кол-во обрабаты- ваемых цистерн/сутки N	50	60	70	80	90	100	110	120	30	40
коэф-нт часовой неравномерности К	1,4	1,3	1,4	1,3	1,2	1,2	1,1	1,2	1,4	1,3
Наименьший размер частиц нефти r 106	60	60	50	50	40	40	45	45	55	55
Скорость движения воды Wв м/с	6· 10-3	6· 10-3	5· 10-3	5· 10-3	7· 10-3	7· 10-3	8· 10-3	8· 10-3	9· 10-3	9· 10-3
Темпера- тура воды, t0 C	15	15	15	15	15	10	10	10	10	10

180

№ варианта	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30
кол-во обрабаты- ваемых цистерн/сутки N	55	65	75	85	95	35	45	25	105	115
коэф-нт часовой неравномерности К	1,35	1,35	1,25	1,2	1,15	1,6	1,5	1,8	1,1	1,0
Наимень ший размер частиц нефти r · 106	40	40	45	45	50	50	55	55	45	40
Скорость движения воды Wв м/с	6· 10-3	7· 10-3	8· 10-3	9· 10-3	5· 10-3	10· 10-3	65· 10-3	65· 10-3	75· 10-3	75· 10-3
Темпера- тура воды, t0 C	30	30	30	30	30	20	20	20	20	20

181