Теоретическое введение.

Виды сточных вод

Сточные воды, отводимые с территории промышленных предприятий, по своему составу могут быть разделены на три вида:

1) производственные - использованные в технологическом процессе производства или получающиеся при добыче полезных ископаемых (угля, нефти, руд и т.п.);

2) бытовые - от санитарных узлов производственных и непроизводственных корпусов и зданий, а также от душевых установок, имеющихся на территории промышленных предприятий;

3) атмосферные - дождевые и от таяния снега.

Производственные сточные воды делятся на две основные категории: загрязненные и незагрязненные (условно чистые).

Загрязненные производственные сточные воды содержат различные примеси и подразделяются на три группы:

1) загрязненные преимущественно минеральными примесями (предприятия металлургической, машиностроительной, рудо- и угледобывающей промышленности; заводы по производству минеральных удобрений, кислот, строительных материалов и др.);

2) загрязненные преимущественно органическими примесями (предприятия мясной, рыбной, молочной, пищевой, целлюлозно-бумажной, химической, микробиологической промышленности; заводы по производству пластмасс, каучука и др.);

3) загрязненные минеральными и органическими примесями (предприятия нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, текстильной, легкой, фармацевтической промышленности; заводы по производству консервов, сахара, продуктов органического синтеза, бумаги, витаминов и др.).

По концентрации загрязняющих веществ производственные сточные воды делятся на четыре группы: 1-500, 500-5000, 5000-30000, более мг/л. Производственные сточные воды могут различаться по физическим свойствам загрязняющих их органических продуктов (например, по температуре кипения: менее 120, 120-250 и более 250⁰С). По степени агрессивности эти воды разделяют на слабоагрессивные (слабокислые с рН = 6-6,5 и слабощелочные с рН = 8-9), сильноагрессивные (сильнокислые с рН < 6 и сильнощелочные с рН > 9) и неагрессивные (с рН = 6,5-8).

Незагрязненные производственные сточные воды поступают от холодильных, компрессорных, теплообменных аппаратов. Кроме того, они образуются при охлаждении основного производственного оборудования и продуктов производства. На различных предприятиях, даже при одинаковых технологических процессах, состав производственных сточных вод, режим водоотведения и удельный расход на единицу выпускаемой продукции весьма разнообразны.

Наиболее часто встречающиеся загрязнения промышленных сточных вод следующие: неорганические кислоты и их соли, щелочи, поверхностно-активные вещества и неорганические соли тяжелых металлов. Для очистки промышленных сточных вод от этих вредных загрязнителей требуются специальные технологические методы.

Большое значение в формировании состава производственных сточных вод имеет вид перерабатываемого сырья. Так, например, основным загрязняющим компонентом сточных вод на мясокомбинатах являются отходы мяса, непереваренная пища животных; на бумажных фабриках - целлюлозные волокна; на фабриках первичной обработки шерсти (ПОШ) - жир, шерсть и т.д. Состав сточных вод зависит также от технологического процесса производства, применяемых компонентов, промежуточных изделий и продуктов, выпускаемой продукции, состава исходной свежей воды, местных условий и др.

Методы очистки промышленных сточных вод

В промышленных сточных водах содержится большое количество органических и неорганических соединений, которые оказывают очень вредное действие на окружающую среду.

Очистка сточных вод - сложнейшая задача, в решении которой нуждаются многие производства. Существуют различные методы очистки: механические, химические, физико-химические, биологические и термические. Ввиду множества примесей и их сложного состава методы очистки сточных вод применяют комплексно (рис.8).

Существуют также рекуперационные и деструктивные методы очистки сточных вод. Рекуперационные методы предусматривают извлечение из сточных вод и дальнейшую переработку ценных веществ. При деструктивных методах вещества, загрязняющие воду, подвергают разрушению путем окисления или восстановления. Продукты разрушения удаляют из воды в виде газов или осадков.

Механические методы - наиболее доступные приемы очистки от крупнодисперсных взвесей, применяются как первая стадия в общей схеме очистки сточных вод. Назначение механической очистки заключается в подготовке производственных сточных вод при необходимости к биологическому, физико-химическому или другому методу более глубокой очистки. Механическая очистка на современных очистных станциях состоит из процеживания через решетки, пескоулавливания, отстаивания и фильтрования. Типы и размеры этих сооружений зависят в основном от состава, свойств и расхода производственных сточных вод, а также от методов их дальнейшей обработки. Механическая очистка обеспечивает выделение взвешенных веществ производственных сточных вод до 90-95 % и снижение органических загрязнений (по показателю БПКполн) до 20-25 %.

Рисунок 8. Методы очистки сточных вод

Высокий эффект очистки сточных вод достигается различными способами интенсификации гравитационного отстаивания - преаэрацией, биокоагуляцией, осветлением во взвешенном слое (отстойники - осветлители) или в тонком слое (тонкослойные отстойники), а также с помощью гидроциклонов. Процесс более полного осветления сточных вод осуществляется фильтрованием - пропусканием воды через слой различного зернистого материала (кварцевого песка, гранитного щебня, дробленного антрацита и керамзита, горелых пород, чугунолитейного шлака и других материалов) или через сетчатые барабанные фильтры и микрофильтры, через высокопроизводительные напорные фильтры и фильтры с плавающей загрузкой - пенополиуретановой или пенополистирольной. Преимущество указанных процессов заключается в возможности применения их без добавления химических реагентов.

Выбор механического метода очистки осуществляется с учетом размеров взвешенных частиц. Если частицы достаточно велики (диаметром более 30-50 мкм), то они могут легко выделяться отстаиванием или процеживанием. Коллоидные частицы (диаметром 0,1-1 мкм) могут быть удалены фильтрованием, однако из-за органической емкости фильтрующего слоя более подходящим методом при концентрациях взвешенных частиц более 50 мг/л является ортокинетическая коагуляция с последующим осаждением или осветлением во взвешенном слое. Типовое оборудование для механической очистки - решетки, песколовки, отстойники, фильтры, гидроциклоны, центрифуги, жидкостные сепараторы.

Физико-химические методы играют значительную роль при очистке производственных сточных вод. Они применяются как самостоятельно, так и в сочетании с механическими, химическими и биологическими методами. Физико-химические методы позволяют полностью автоматизировать процесс очистки, а современный уровень знаний в области кинетики физико-химических процессов создает основы для их математического моделирования и оптимизации и, как следствие, правильного выбора и расчета параметров аппаратуры. В большинстве случаев использование физико-химических методов выделения загрязняющих веществ из сточных вод позволяет в дальнейшем их рекуперацию.

Химические методы обработки сточных вод основаны на применении химических реакций, в результате которых загрязнения превращаются в соединения, безопасные для потребителя, или легко выделяются в виде осадков.

В особую группу химических методов следует выделить хлорирование и озонирование сточных вод, содержащих органические примеси, а также цианиды и другие пахнущие неорганические вещества. Хлорирование и озонирование наиболее часто применяют для доочистки и обезвреживания питьевой воды на городских водопроводных станциях.

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

Такое разнообразие видов бактерий обусловлено наличием в очищаемой воде органических веществ различных классов. Если же в составе сточных вод присутствует лишь один или несколько близких по составу источников органического углерода, т. е. один или несколько близких гомологов органического соединения, то возможно развитие монокультуры бактерий. Сообщество микроорганизмов представлено одними бактериями в том случае, если очистку проводят в анаэробных условиях или при слишком неблагоприятном уровне питания, который представляет собой отношение количества органических веществ к числу микроорганизмов. Неблагоприятным уровнем питания может оказаться, например, слишком высокое соотношение количеств подаваемых на очистку загрязнений и биомассы микроорганизмов. Если очистку проводят в аэробных условиях (в присутствии растворенного кислорода), то при благоприятной обстановке в сообществе микроорганизмов развиваются простейшие, представленные числом видов от 1 до 15-30.

Механизм биологического окисления в аэробных условиях может быть представлен следующей схемой:

органические вещества + O2 + N + P → микроорганизмы + CO2 + H2O

+ биологически неокисляемые растворимые вещества.

Реакция символизирует окисление исходных органических загрязнений сточных вод и образование новой биомассы. В очищенных сточных водах остаются биологически неокисляемые вещества, преимущественно в растворенном состоянии, так как коллоидные и нерастворенные вещества удаляются из сточной воды методом сорбции. Эффективность процессов биологической очистки зависит от многих факторов, например, существенно влияет на развитие микроорганизмов концентрацияводородных ионов. Значительная часть бактерий развивается лучше всего в среде нейтральной или близкой к ней, однако имеются виды, хорошо развивающиеся в кислой среде рН = 4 - 6 (грибы, дрожжи) или, наоборот, в слабощелочной среде (актиномицеты).

Для эффективного процесса биологической очистки сточной воды, для нормального процесса синтеза клеточного вещества в среде должна быть достаточная концентрация всех основных элементов питания – органического углерода, азота, фосфора. При нехватке N и P их добавляют искусственно в виде суперфосфата, аммофоса, ортофосфорной кислоты, хлорида аммония, мочевины и др.

Большое влияние на биологическое окисление оказывает кислородный режим и наличие токсичных веществ в среде. Токсичное действие на биологические процессы могут оказывать органические и неорганические вещества. Токсичное действие может быть и микробостатическим, если задерживается рост и развитие микроорганизмов, и убивающим (микробоцидным). Большинство веществ проявляет то или иное действие в зависимости от концентрации их в очищаемой смеси.

Биологическая очистка сточных вод может осуществляться как в естественных условиях (поля орошения, поля фильтрации, биологические пруды), так и в специальных сооружениях (аэратенки, метантенки).

При термической очистке сжигают жидкие отходы нефтепродуктов и других горючих в печах и горелках различной конструкции. Подлежащие сжиганию сточные воды должны иметь высокое содержание нефтепродукта, обычно не менее 30 %. Для этого сточные воды собирают в резервуар-накопитель, отстаивают и слой нефтепродукта подают на сжигание. В зоне горения поддерживается температура 800-1200⁰С и избыток кислорода. При полном сгорании образуются продукты, не способные к дальнейшему горению: CO2, H2O и др. При неполном сгорании образуются H2S; HCN; COCl3 и др. Оптимальную температуру процесса, при которой обнаруживается минимальное количество загрязняющих веществ, определяют практическим путем.

Расчет необходимой степени очистки сточных вод.

 Водоемы обладают самоочищающей способностью, что следует учитывать при проектировании очистных сооружений и определении необходимой степени очистки. Необходимую степень очистки сточных вод, спускаемых в водоем, находят по следующим показателям: количество взвешенных веществ, потребление растворенного кислорода, допускаемая БПК смеси речных и сточных вод, изменение активной реакции воды, а также предельно допустимые концентрации токсических примесей и других вредных веществ.

В «Правилах охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами» выделяют две категории водоемов: водоемы питьевого и культурно-бытового водопользования и водоемы, используемые в рыбохозяйственных целях.

Водоемы питьевого и культурно-бытового водопользования делятся на два вида: первый — участки водоемов, используемые в качестве источника для централизованного и нецентрализованного питьевого водоснабжения, а также водоснабжения предприятий пищевой промышленности; второй — участки водоемов, используемые для купания, спорта и отдыха населения, а также водоемы, находящиеся в пределах населенных пунктов. К какому виду водопользования относится данный участок водоема, определяют органы Государственного санитарного надзора.

Водоемы для рыбохозяйственных целей также подразделяются на два вида: первый — водоемы, используемые для воспроизводства и сохранения ценных пород рыб; второй — водоемы, используемые для других рыбохозяйственных целей. Вид рыбохозяйственного использования водоема определяется органами рыбоохраны.

Расчет необходимой степени очистки сточных вод по взвешенным веществам

Предельно допустимое содержание взвешенных веществ т, г/м³, в спускаемых в водоем сточных водах определяют по формуле:

т = P(aQ/q+1)+b,                                 (33)

где P — допустимое санитарными нормами увеличение содержания взвешенных веществ в водоеме после спуска сточных вод, г/ м³; b— содержание взвешенных веществ в водоеме до спуска в него сточных вод, г/м³; Q— наименьший среднемесячный расход воды в водоеме 95 %-ной обеспеченности, м³/с.

Степень необходимой очистки по взвешенным веществам может быть определена в %:

Э=(С–т)100/С,                           (34)

где С — содержание взвешенных веществ до очистки, мг/л.

Расчет необходимой степени очистки сточных вод по растворенному в воде водоема кислороду.

В соответствии с правилами спуска сточных вод в воде водоема после смешения ее со сточной водой содержание растворенного кислорода должно быть не ниже 4 мг/л, а для рыбохозяйственных водоемов первого вида — 6 мг/л. Исходя из этого, можно определить допустимую для данного водоема максимальную БПК спускаемых сточных вод. Допустимая БПК_полн сточных вод, сбрасываемых в водоем, исходя из условий минимального содержания растворенного кислорода, выражается уравнением:

L_ст = aQ/0,4q(O_p–0,4L_p–O)–O/0,4           (35)

где L_ст, L_р — полное биохимическое потребление кислорода, соответственно, сточными водами и речной водой, г/м³; Q — расход воды в реке, м³/сут; О_р — содержание растворенного кислорода в речной воде до места спуска сточных вод, г/м³; О — минимальное содержание кислорода в воде, принимаемое равным 4 или 6 г/м³; 0,4 — коэффициент для перерасчета БПКполн в двухсуточное.

Расчет по другому методу учитывает среднюю скорость движения воды в водоеме, температуру воды, константы скорости потребления кислорода и скорости поверхностной реаэрации. Этот расчет более полный и точный, но требует проведения натурных изысканий на участке реки, для которого выполняется расчет.

Расчет необходимой степени очистки сточных вод по БПК_полн учитывает самоочищение сточных вод в водоеме за счет биохимических процессов, а также разбавление сточных вод водами водоема. Допустимую БПК_полн сточной жидкости при выпуске ее в водоем определяют по формуле:

L_пд = [aQ(L_ст — L_р • 10–k_p t) / (q • 10–k_ст t)] + L_р / 10–k_ст t   (36)

где k_ст, k_р — константы скорости потребления кислорода сточной и речной водой; L_п.д. — предельно допустимая БПК_полн смеси речной и сточной воды в расчетном створе; для водоемов питьевого и культурного пользования 1 и 2 категории эта величина принимается, соответственно, равной 3 и 6 мг/л; L_p — БПК_полн речной воды до места выпуска сточных вод; t — продолжительность перемещения воды от места выпуска сточных вод до расчетного створа, равная отношению расстояния по фарватеру от места выпуска вод до расчетного створа к средней скорости течения воды в реке на данном участке v_ср, сут.

Необходимую степень очистки Э определяют в %:

Э=(L_а–L_ст)100/L_а,                                     (37)

где L_а — БПК_полн сточных вод, поступающих на очистку.

Расчет допускаемой температуры сточных вод перед сбросом в водоем

Расчет повышения температуры воды в источнике в месте сброса сточных вод производят, исходя из условий, что температура воды летом (максимальная температура) не должна повышаться в месте выпуска сточных вод более чем на 3°. Температура сбрасываемых вод Т_ст должна удовлетворять условию:

Т_ст ≤ пТ_доп+Т_макс                                                (38)

где Т_доп — допускаемое по санитарным нормативам повышение температуры воды водоема до места выпуска сточных вод. Полученную по расчетам Т_ст сопоставляют с температурой исходных стоков Т_исх и при необходимости намечают мероприятия по их охлаждению.