Методы очистки сточных вод

Применяют два основных пути очистки сточных вод — разбавление и очистку от загрязнений. Разбавление представляет собой паллиативную, т. е. временную, меру, не обеспечивающую полного, коренного решения вопроса очистки сточных вод, которая не ликвидирует воздействия сточных вод, а лишь ослабляет его на локальном участке водоема.

Основные методы очистки сточных вод подразделяют на механические, физико-химические, химические, биохимические.

По своей сути эти методы могут быть рекунерационными и деструктивными. Первые предусматривают извлечение из сточных вод всех ценных веществ и последующую их переработку, а вторые — разрушение загрязняющих веществ путем их окисления или восстановления.

Механическая очистка.

В состав очистных сооружений входят аппараты механической очистки, которые в зависимости от требуемого уровня очистки дополняются сооружениями, где применяются другие методы ликвидации загрязнений, а при более высоких требованиях в их состав включаются аппараты глубокой очистки. Перед сбросом в водоем очищенные сточные воды обеззараживаются. Образующийся на всех стадиях очистки осадок поступает на аппараты по обработке осадка. Очищенные сточные воды могут направляться в оборотные системы водообеснечения, на сельскохозяйственные нужды или сбрасываться в водоем. Обработанный осадок может утилизироваться, уничтожаться или складироваться.

Перед подачей сточных вод на механическую очистку их могут направлять в устройства, которые регулируют состав и расход сточных вод. Это обусловлено тем, что состав сточных вод и их объем (в результате залповых выбросов) существенно изменяются в течение суток. К таким устройствам относят усреднители, которые либо дифференцируют поток сточных вод, либо интенсивно перемешивают отдельные их потоки, обеспечивая возможность равномерной подачи сточных вод с усредненной концентрацией на очистные сооружения.

Конструкция усреднителя представляет собой железобетонный резервуар прямоугольной формы с четырьмяшестью параллельно расположенными коридорами, в которые поступает сточная вода. При усреднении за счет перемешивания сточные воды попадают в сборный диагональный лоток, расположенный над резервуаром и оборудованный зубчатым водосливом для равномерного распределения воды.

Методы механической очистки вод достаточны только при оборотном водоснабжении некоторых производств. В большинстве же случаев механическая очистка предшествует биологической и физико-химической. Аппараты механической очистки обычно составляют первую очередь строительства станций аэрации. При этом загрязненные воды осветляются на 30—60%, что облегчает эксплуатацию сооружений для дальнейшей очистки.

Механическая очистка применяется для выделения из сточных вод нерастворенных минеральных и органических примесей. Поэтому для удаления взвешенных частиц из сточных вод используют гидромеханические процессы процеживания и отстаивания, а также фильтрование. Выбор метода зависит от размера частиц примесей, физико-химических свойств и концентрации взвешенных частиц, расхода сточных вод необходимой степени очистки. При механической очистке используются решетки, песколовки, отстойники, преаэраторы, биокоагуляторы, нефтеловушки, гидроциклоны и различные фильтры.

Процеживание — первичная стадия обработки сточных вод, при которой из них извлекают крупные нерастворенные примеси и более мелкие волокнистые фракции, препятствующие нормальной работе очистного оборудования. Для этого сточные воды пропускают через решетки (сита) и волокноуловители, которые устанавливают перед отстойниками.

Решетки устанавливаются на всех очистных станциях независимо от системы подачи на них сточных вод. Они бывают неподвижные, подвижные и совмещенные с дробилками. Наиболее распространены неподвижные решетки, которые производят из металлических стержней с зазором между ними 5—25 мм. При эксплуатации решетки периодически или непрерывно очищают. Преимущество решеток-дробилок состоит в том, что они размещаются непосредственно в канале коллектора.

Для удаления более мелких взвесей и ценных продуктов применяют сита двух типов — барабанные и дисковые. Сито барабанного типа — это сетчатый барабан с отверстиями 0,5—1 мм.

Принцип действия волокноуловителей, применяемых для задерживания волокнистых веществ, основан на процеживании сточных вод через конусообразные диски с перфорацией или специальные фильтры.

Для разделения взвешенных частиц на фракции используют фракционаторы, основной частью которых является вертикальная сетка, разделяющая емкость на две части. Диаметр отверстий сетки составляет 60—100 мкм. Сточная вода через сопло поступает внутрь фракционатора и разделяется на грубую и тонкую фракции, причем 50—80% взвешенных частиц остаются в грубой фракции.

Отстаивание — удаление из сточных вод взвешенных веществ, которые иод действием гравитационных сил оседают на дно отстойника, а под воздействием выталкивающих сил всплывают на его поверхность. Очистку сточных вод отстаиванием осуществляют в песколовках, отстойниках, осветлителях и нефтеуловигелях.

Песколовки применяют для выделения из сточных вод тяжелых примесей (песка, окалины). Наиболее распространены горизонтальные и аэрируемые песколовки, позволяющие удалить из сточных вод 70—80% песка. В целях повышения эффективности отмывки песка бункеры песколовок используют в сочетании с напорными гидроциклонами.

Песколовки, применяемые для выделения из сточных вод тяжелых минеральных примесей, устанавливают перед отстойниками, что упрощает эксплуатацию последних, а также сооружений по обработке осадка. Продолжительность пребывания сточных вод в песколовке составляет 0,5—2 мин. Песколовки, представляющие собой горизонтальные (прямоугольные или круглые) емкости из сборного или монолитного железобетона, рассчитываются так, чтобы в них фильтровались только минеральные примеси. Выпавший осадок собирается в приямок и удаляется в песковые бункеры или на песковые площадки. При надежном обеззараживании обезвоженный песок можно использовать для дорожных работ и изготовления строительных материалов.

Отстойники различных конструкций применяют для гравитационного выделения из сточных вод нерастворяющихся грубодисперсных загрязнителей с плотностью, отличающейся от плотности воды. По направлению движения потока воды различают отстойники вертикальные, диагональные, горизонтальные и радиальные. Порядка 40—60% массы загрязняющих веществ выпадает в осадок в течение 1,5 ч отстаивания. Чаще всего именно на эту продолжительность и рассчитана емкость отстойников. Вертикальные отстойники диаметром 4,5—9 м и высотой отстойной части 3 м применяют на очистных станциях при расходах сточных вод до 10 тыс. м³/сут., горизонтальные отстойники — до 20 тыс. м³/сут., радиальные отстойники — выше 20 тыс. м³/сут.

Тонкослойные отстойники используют для очистки сточных вод от взвешенных веществ однородного состава (в металлургическом, нефтяном, угольном и других производствах).

В осветлителях одновременно с отстаиванием происходит фильтрация сточных вод через слой взвешенных частиц.

В одном очистном сооружении часто с отстойниками совмещают преаэратор или биокоагулятор. Преаэраторы применяют для глубокого осветления сточных вод и для лучшей подготовки их к биологической очистке.

Нефтеловушки выполняют очистку сточных вод, содержащих грубодиспергированные нефтепродукты, жиры, смолы, парафины при концентрации свыше 100 мг/л.

Всплывшую на поверхность нефть собирают и направляют на утилизацию.

На практике более широко применяют горизонтальные многосекционные нефтеловушки с числом секций до 4 шт. Нефтеловушки, как и другие механические улавливатели, не задерживают тонкоэмульгированные и растворенные нефтепродукты.

Фильтрование — удаление взвешенного вещества из сточной воды путем пропускания ее через слой пористого материала или сетки с определенным размером отверстий. С помощью фильтрования очищают сточные воды, содержащие тонкодисперсные твердые примеси в небольшой концентрации.

Для очистки городских сточных вод используются сетчатые фильтры с бактерицидными лампами, устанавливаемые перед фильтрами с зернистой загрузкой.

Центрифугирование — процесс, применяемый для выделения из сточных вод грубодисиерсных примесей под воздействием центробежных сил. Аппараты для центрифугирования — гидроциклоны — по своей конструкции бывают открытыми и напорными. В гидроциклонах обеспечивается отделение песка и минеральных частиц диаметром 0,1—0,15 мм. Открытые гидроциклоны, по производительности существенно превосходящие отстойники, используют для выделения из сточных вод оседающих и всплывающих веществ.

Для повышения производительности гидроциклоны малого диаметра объединяют в общий агрегат, в котором они работают параллельно, т. е. представляют собой мультициклоны.

Физико-химические методы очистки. Эти методы применяют как самостоятельно, так и в сочетании с механическими и биологическими методами при удалении тонкодисперсных взвешенных частиц, растворимых газов, минеральных и органических веществ. К этим методам относят коагуляцию, флокуляцию, флотацию, ионный обмен, адсорбцию, экстракцию, обратный осмос, кристаллизацию, дистилляцию, ректификацию, дезорацию.

Коагуляция — процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия с коагулянтами, которые в воде образуют хлопья гидроксидов металлов. Приготовленные растворы коагулянтов подают дозировочным насосом в смеситель, в котором они смешиваются со сточными водами. После этого вода поступает в камеры хлопьеобразования, которые могут быть перегородчатыми или вихревыми. Хлопья улавливают коллоидные и взвешенные частицы и агрегируют их, а затем быстро оседают на дно резервуара под действием силы тяжести.

Время пребывания воды в перегородчатых камерах составляет 20—30 мин, в вихревых — 6—10 мин. По мере образования хлопьев вода поступает на механические очистные устройства — отстойники, гидроциклоны.

Коагуляция наиболее эффективна для удаления из сточных вод эмульгированных веществ и тонкодисперсных частиц размером 1 — 100 мкм. Эффективность очистки может достигать 95%. Наибольшее применение в качестве коагулянтов получили сульфат алюминия, гидроксохлорид алюминия и хлорид железа.

Флокуляция — процесс агрегации взвешенных частиц при добавлении в сточную воду высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами.

Весьма перспективным методом очистки сточных вод гальванических и травильных отделений от тяжелых металлов, цианидов является электрокоагуляция — процесс образования нерастворимых гидроксилов в сточной воде при их прокачке через электрокоагулятор. При этом если в сточной воде содержатся поверхностно-активные вещества, то осуществляют пенопогашение с помощью пара. Осадок из илонакопителя направляют на обезвоживающую установку и уплотнитель, входящие в этот комплекс, в последующем утилизируют или направляют на захоронение.

Флотация применяется для очистки сточных вод, содержащих поверхностно-активные вещества, нефть, нефтепродукты, масла, волокнистые частицы. Сам процесс флотации заключается в образовании в толще воды газовых пузырьков, прилипании частиц к поверхности раздела газовой и жидкой фаз, всплывании этих комплексов на поверхность обрабатываемой сточной жидкости и удалении образовавшегося пенного слоя.

Различают следующие методы флотационной обработки сточных вод: перенасыщение сточных вод воздухом, механическая и электрофлотация.

Флотацию за счет перенасыщения сточных вод воздухом подразделяют на вакуумную и напорную. При вакуумной флотации сточные воды предварительно насыщают воздухом при атмосферном давлении в аэрационной камере, после чего направляют во флотационную камеру. Выделяющиеся пузырьки воздуха выносят загрязнения на поверхность воды. Процесс флотации длится около 20 мин.

Напорная флотация осуществляется в две стадии: насыщение сточных вод воздухом под избыточным давлением и затем резкое снижение давления до атмосферного, что позволяет обрабатывать сточные воды с начальной концентрацией загрязнений до 5 г/л при производительности от 5 до 2000 м³/ч. В ряде случаев сточные воды насыщают кислородом или озоном. Всплывающая масса непрерывно удаляется механизмом для сбора пены в пеносборник.

Суть метода электрофлотации заключается в том, что в процессе электролиза воды выделяющиеся на электродах пузырьки газов (водорода и кислорода) сталкиваются с взвешенными частицами, прилипают к ним и флотируют их на поверхность жидкости. Основную роль в процессе флотации частиц выполняют пузырьки водорода, выделяющиеся с поверхности катода. Эффективность процесса флотационной очистки связана с числом и размером пузырьков. Поскольку размер отрывающихся пузырьков зависит не только от краевого угла, но и от кривизны поверхности электродов, последние изготовляют в виде проволочной сетки. При этом на размер пузырьков влияет толщина проволоки — с ее увеличением размеры пузырьков, как правило, возрастают. Число пузырьков зависит от плотности тока и материала электродов.

Адсорбцию применяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках, если эти вещества биологически не разлагаются или являются сильно токсичными. Адсорбционная очистка бывает регенеративная и деструктивная. Эффективность адсорбционной очистки достигает 0,8—0,95. В качестве адсорбентов используют активированные угли, синтетические вещества, золу, шлаки.

Процесс адсорбционной очистки сточных вод ведут при интенсивном перемешивании адсорбента с водой или фильтрованием воды через слой адсорбента.

Экстракция — способ разделения и извлечения из сточных вод компонентов смеси (фенолов, масел, жирных кислот и др.) Целесообразность применения экстракции для очистки сточных вод определяется концентрацией органических примесей в них. Экстракция выгоднее адсорбции при концентрациях примесей выше 3—4 г/л. Процесс экстракции состоит из трех следующих стадий:

• — интенсивное смешивание сточных вод с экстрагентом (органическим растворителем), в результате чего образуются две жидкие фазы: экстракт, который содержит извлекаемое вещество и экстрагент, и рафинат, который содержит сточные воды и экстрагент;
• — разделение экстракта и рафината;
• — регенерация экстрагента из экстракта и рафината.

Для экстракции из сточных вод фенолов используют эфиры, а нефтепродуктов — бензол. Эффективность экстракционных методов очистки сточных вод достигает 0,95.

Электрохимические методы применяют для очистки сточных вод от растворимых диспергированных примесей. К этим методам относят процессы анодного окисления и катодного восстановления, электродиализ. Процессы протекают на электродах при пропускании через сточные воды постоянного электрического тока. В процессе электрохимического окисления вещества (цианиды, амины, альдегиды), находящиеся в сточных водах, полностью разлагаются, образуя С0₂, аммиак и воду или более простые и нетоксичные вещества, которые удаляют другими методами. На практике применяют способы электрохимической очистки стоков, содержащих соли металлов, кислот и щелочей.

Для удаления солей из сточных вод широко используют метод электродиализа, который осуществляют в электролитической ванне, разделенной на три отделения двумя диафрагмами. В крайних отделениях размещают электроды. Метод электродиализа перспективен для очистки сточных вод не только от растворенных солей, но и от ионов тяжелых металлов и фтора.

Химические методы очистки. Находят применение преимущественно для удаления растворимых веществ в замкнутых системах водоснабжения или для дополнительной очистки сточных вод до или после биологической очистки. При химической очистке сточных вод протекают реакции конденсации, окисления, нейтрализации, в результате которых получаются нетоксичные или менее токсичные вещества, растворимые в воде соединения превращаются в нерастворимые и легко отделяются, кислые и щелочные стоки — нейтрализуются. Химической очисткой удаляют из сточных вод ионы тяжелых металлов.

Основными методами химической очистки сточных вод являются нейтрализация и окисление.

Нейтрализацию используют для обработки сточных вод, содержащих щелочи и кислоты. На практике применяют следующие способы: взаимную нейтрализацию кислых и щелочных сточных вод; нейтрализацию реагентами (растворы кислот, известь, кальцинированная сода, аммиак и др.); фильтрование через нейтрализующие материалы (известь, известняк, доломит, магнезит, мел и др.).

Для очистки сточных вод окислением применяют газообразный и сжиженный хлор, диоксид хлора, хлорат кальция, гипохлориты кальция и натрия, перманганат калия, кислород воздуха, озон и др. В процессе окисления токсичные загрязнения, содержащиеся в сточных водах, становятся менее токсичными и затем удаляются из воды.

Для окисления цианидов, сероводорода, гидросульфида, метилмеркаптана используют хлор и его соединения. При этом образуется свободный активный хлор. Окисление цианидов активным хлором до цианатов происходит в момент выделения атомарного кислорода из окислителя. Образовавшиеся цианаты легко гидролизуются до карбонатов.

Окисление кислородом воздуха наиболее часто применяют для очистки воды от двухвалентного железа путем аэрирования воздуха через сточные воды. Образовавшийся гидроксид железа отстаивают в контактном резервуаре, а затем отфильтровывают.

Озонирование основано на высокой окислительной способности озона, который при нормальной температуре разрушает многие органические компоненты сточных вод. Длительность процесса очистки сточных вод значительно сокращается при совместном использовании ультразвука и озона или ультрафиолетового облучения и озона.

Очистку сточных вод восстановлением применяют тогда, когда сточные воды содержат легко восстанавливаемые вещества (соединения ртути, хрома, мышьяка).

Способ термической очистки сточных вод заключается в окислении загрязняющих веществ при высокой температуре с получением нетоксичных продуктов сгорания и твердого остатка. Существует несколько вариантов применения термического способа, начиная с полного уничтожения стоков или загрязненного ила и до значительного уменьшения их. При этом используется следующее оборудование: выпарные аппараты, распылительные сушилки, аппараты для получения твердого продукта и др.

Одним из перспективных способов очистки сточных вод является ионный обмен, с помощью которого можно извлекать из сточных вод соединения мышьяка и фосфора, цианистые соединения и радиоактивные вещества, соли тяжелых металлов — хрома, никеля, цинка, свинца, ртути и др. Очистка происходит в аппаратах периодического и непрерывного действия.

Широкое распространение получает очистка сточных вод методом обратного осмоса (гиперфильтрация), при котором очищаемые стоки непрерывно фильтруются под давлением через полупроницаемые мембраны разных видов, задерживающие частично или полностью молекулы или ионы растворенного вещества.

Используется также метод очистки ультразвуковыми колебаниями сточных вод, содержащих фенолы, поверхностно-активные вещества, цианиды и другие трудно окисляющиеся вещества.

Биохимические методы очистки. Эти методы используют для очистки хозяйственно-бытовых сточных вод от находящихся в них растворенных органических и некоторых неорганических (сероводорода, аммиака, сульфидов, нитритов и др.) веществ. Сущность этого процесса заключается в том, что для удаления загрязнений используют микроорганизмы, которые питаются перечисленными веществами в процессе своей жизнедеятельности. Очищенные биохимическим способом сточные воды соответствуют санитарно-гигиеническим требованиям и рыбохозяйственным нормативам. Биохимическая очистка является завершающей стадией очистки сточных вод химических и нефтеперерабатывающих предприятий.

Биохимическая очистка сточных вод может протекать в аэробных (биохимическое окисление) и анаэробных (биологическое разложение) условиях. Очистка в анаэробных условиях происходит под действием анаэробных микроорганизмов, в результате чего количество органических загрязнителей, содержащихся в сточных водах, уменьшается благодаря превращению их в газы (метан, диоксид углерода) и растворенные соли, а биомасса анаэробных растений увеличивается. Процесс распада органических загрязнителей осуществляется в две фазы — вначале органическое вещество превращается в органические кислоты и спирты, впоследствии органические кислоты и спирты — в метан и диоксид углерода. Этот метод используют в основном для сбраживания избыточного активного ила, образующегося при аэробной очистке.

Очистка в аэробных условиях происходит в присутствии растворенного в воде кислорода, представляя собой модификацию протекающего в природе естественного процесса самоочищения водоемов. Для биоочистки промышленных сточных вод наиболее широко применяют аэротанки с использованием активного ила. Активный ил в аэрируемой жидкости значительно ускоряет процессы окисления и создает условия для адсорбции органических веществ.

Разрушение органических веществ до углекислого газа и других безвредных продуктов окисления происходит вследствие биоценоза, т. е. комплекса бактерий и простейших микроорганизмов, развивающихся в данном сооружении. Потребление микроорганизмами органических составляющих в сточных водах происходит в три этапа:

• — массопередача органического вещества и кислорода из жидкости к поверхности клетки;
• — диффузия вещества и кислорода через полупроницаемую мембрану клетки;
• — метаболизм диффундироваиных продуктов, сопровождающийся приростом биомассы, выделением энергии, диоксида углерода и др.

Биологическая очистка сточных вод может осуществляться в естественных или искусственных условиях. В естественных условиях используют специально подготовленные поля орошения и фильтрации или биологические пруды.

Поля орошения — специально подготовленные земельные участки, используемые одновременно для очистки сточных вод и агрокультурных целей, т. е. для выращивания зерновых и силосных культур, трав, овощей, а также для посадки кустарников и деревьев.

Биологические пруды предназначены для биологической очистки и для доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными сооружениями. Их выполняют в виде каскада прудов, состоящих из 3—5 ступеней. Процесс очистки сточных вод осуществляется, но следующей схеме: бактерии используют для окисления загрязнений кислород, выделяемый водорослями в процессе фотосинтеза, а также кислород из воздуха. Водоросли в свою очередь потребляют диоксид углерода, фосфаты и аммонийный азот, выделяемый при биохимическом разложении органических веществ. При этом для нормальной работы прудов необходимо соблюдать оптимальные значения кислотности и температуры сточных вод.

Глубокая очистка (доочистка) сточных вод применяется для удаления содержащихся в биологически очищенных сточных водах частиц активного ила, биопленки, остаточных загрязнений органического происхождения, поверхностноактивных веществ, биогенных элементов (азот и фосфор), бактериальных загрязнений. Такие загрязнения вредно влияют на водоемы, вызывая их эвтрофикацию (обогащение биогенными элементами) и затрудняя повторное использование сточных вод в системах оборотного водоснабжения. Глубокая очистка сточных вод предусматривает уменьшение концентрации взвешенных веществ в очищенных сточных водах; снижение биохимического потребления кислорода, содержания биогенных элементов; обеззараживание сточных вод; насыщение очищенных сточных вод кислородом (аэрация) при спуске их в водоемы рыбохозяйственного назначения.

Для глубокой очистки от взвешенных и растворенных веществ применяют фильтры различных конструкций с загрузкой из песка, гравийного щебня, антрацита, пластмассовых гранул. В случае биологически окисляемых загрязнений применяют биологические пруды, обеспечивающие снижение концентрации биохимического потребления кислорода в пределах 3—5 мг/л. Биологически неокисляемые загрязнения могут удаляться из сточных вод с помощью сорбционных и ионообменных установок.

Обеззараживание (дезинфекция) очищенных сточных вод проводится для уничтожения содержащихся в них болезнетворных бактерий, вирусов и микроорганизмов. Эффект обеззараживания должен составлять практически 100%. Поэтому после полной очистки в сточные воды вводят соединения хлора или другие сильные окислители (озон), обеспечивающие защиту водоемов от попадания в них возбудителей заболеваний.

Обработка сточных вод, содержащих радиоактивные вещества, зависит от уровня их радиоактивности и солесодержания. Сточные воды с незначительным солесодержанием обрабатывают ионообменными и намывными фильтрами. При высоком солесодержании применяют методы электродиализа, выпаривания, обратного осмоса, а остаточные загрязнения снимают на ионообменных установках. Все сточные воды с радиоактивностью выше допустимой сливают в специальные подземные резервуары или закачивают в глубокие подземные бессточные бассейны.