Доочистка и обеззараживание сточных вод

Доочистка

Под доочисткой подразумеваются методы и процессы, дополняющие традиционные технологические схемы очистки сточных вод городов и населенных пунктов. Возможная степень удаления загрязнений в процессах доочистки практически не ограничена и определяется условиями сброса очищенных сточных вод или последующей их утилизации. К методам доочистки сточных вод городов и населенных пунктов относят:

• — метод фильтрования, осуществляющийся на фильтрах с зернистой загрузкой, на сетчатых барабанных фильтрах;
• — биологический метод, реализуемый традиционно в биологических прудах с естественной и искусственной аэрацией, а также на сооружениях доочистки, устроенных по принципу аэротенков с загрузкой;
• — метод флотации, основанный на способности гидрофобных частиц прилипать к пузырькам газа (воздуха) и всплывать на поверхность с образованием пены;
• — сорбционный метод удаления из очищенных вод остаточных растворенных органических загрязнений, например с использованием активированного угля;
• — метод окисления остаточных растворенных загрязнений сильными окислителями (озон, хлор, двуокись хлора, перманганат калия и др.);
• — различные методы доочистки вод от биогенных элементов (реагентные, ионообменные, биологические и т. д.);
• — комбинации указанных методов.

Для удаления взвешенных веществ и БПКполн до 6…8 мг/л после биологической очистки в стандартных аэротенках применяют фильтры с зернистой загрузкой. В них не развиваются микробиологические процессы и не изменяется содержание соединений азота и фосфора.

Фильтр представляет собой резервуар, загруженный зернистым материалом, через который вода просачивается сверху вниз или снизу вверх. Распределение воды по поверхности перед фильтрованием и сбор фильтрованной воды должны быть равномерными.

В качестве зернистой загрузки используют, как правило, кварцевый песок крупностью 1,2…2 мм, слоем 1,2…1,3 м; скорость фильтрации воды 6…8 м/ч. При накоплении в теле фильтра загрязняющих веществ подача воды на очистку прекращается и осуществляется водовоздушная промывка.

Применяются фильтры с различными загрузками — двухслойная, каркасно-засыпная, плавающая из пластмассовой крошки, из мелкого щебня и др. Показатели работы фильтров мало различаются, их выбор должен определяться конкретными условиями применения — располагаемым остаточным напором воды, высотой конструкций зданий, степенью неравномерности притока сточной воды и т. п.

Современные конструкции зернистого песчаного фильтра непрерывного действия типа DynaSand не требуют отключения на промывку. Фильтрация воды на фильтре осуществляется снизу вверх со средней скоростью 15 м/ч. В качестве загрузки используется песок крупностью 0,8…1,2 мм. Принципиальная отличительная особенность фильтра — наличие эрлифтного забора наиболее загрязненного песка из нижней конусной части фильтра и подача его в узел промывки. Из узла промывки чистый песок поступает в верхнюю часть фильтра, промывная вода отводится в голову очистных сооружений. Фильтр может эксплуатироваться в режиме реагентного фильтрования.

Реагентное фильтрование производят с целью дополнительного удаления органических загрязнений после аэротенков, но главным образом для удаления фосфора.

Подготовка воды перед фильтрованием (смешение с реагентом) производится в отдельной камере. Доза коагулянта состаляет 15…45 мг/л. Добавление флокулянтов в дозах 0,5…1 мг/л позволяет сократить дозу коагулянта вдвое. Конструкция фильтров аналогична конструкции фильтров с зернистой загрузкой для безреагентного фильтрования. Но при использовании реагентов скорость фильтрования снижается до 4…5 м/ч, увеличивается частота промывок. Концентрация органических загрязнений после фильтра по ВПК и взвешенным веществам достигает 4…5 мг/л, фосфора — 0,2…0,5 мг/л.

Совмещение методов фильтрации и биологической доочистки реализуется на фильтрах-биореакторах. Фильтры-биореакторы содержат загрузку из инертного материала, на поверхности которой развивается активный ил, способный образовывать дополнительный биологический фильтр между зернами загрузки. Для удаления взвешенных веществ и ВПК можно использовать песчаную загрузку крупностью 1,6…2 мм, дробленый гравийный щебень и пористую загрузку из шлакопемзы. Для процессов нитрификации предпочтительнее использовать гравийный щебень. При этом конструкция фильтра-биореактора предусматривает предварительную аэрацию и рециркуляцию очищенных вод в голову сооружения насосами. Для удаления остаточного фосфора рекомендуется вводить реагент (коагулянт, флокулянт). Данное сооружение позволяет достигать величин концентраций очищенных вод: по взвешенным веществам — до 1…3 мг/л, по БПК5 — до 1,5…4 мг/л, по аммонийному азоту — до 0…0,5 мг/л, по фосфору при использовании реагента — до 0,2 мг/л.

Озонирование как метод глубокой очистки биологически очищенных городских сточных вод, несмотря на высокую себестоимость, является универсальным, так как он позволяет одновременно снизить концентрацию загрязнений по ХПК на 40%, по ВПК5 — на 60…70%, содержание взвешенных веществ — на 60%, ПАВ — на 90%, фенолов — на 40%, азота — на 20%, канцерогенных веществ — на 80%, а также снять окраску вод на 60% с одновременным обеззараживанием воды. Рекомендуемая доза озона 10… 15 мг/л при времени его контакта со сточной водой 15 мин.

Совмещение озонирования с процессом удаления взвеси флотацией в одном сооружении получило название озонофлотации.

Озонофлотатор — аппарат, в который подается сточная вода, прошедшая реактор для растворения в ней озоновоздушной смеси. Одновременно в аппарате создаются условия образования мелких пузырьков озоновоздушной смеси, которые увлекают с собой взвесь и окисляют ее при подъеме. Взвесь образует на поверхности жидкости флотоиену, которая удаляется на обработку.

Сбор флотопены с поверхности жидкости при озонофлотации — один из самых важных элементов конструктивного оформления процесса, который на практике осуществить довольно сложно, и это является одним из препятствий для внедрения метода.

Сорбцию осуществляют, как правило, после фильтров при необходимости снижения БПКполн до 2…3 мг/л. В качестве сорбента применяют активированные угли различного класса или естественные сорбенты, в частности бентониты. Сорбцию проводят в фильтрах в статическом режиме (фильтрование через неподвижную загрузку из зернистого гранулированного материала) или в динамическом режиме (контакт при интенсивном перемешивании с порошкообразным материалом).

Скорость фильтрования через неподвижную загрузку составляет 5…8 м/ч, продолжительность контакта в динамическом режиме до 15 мин. Конструкция сорбционного фильтра аналогична конструкции песчаных фильтров. При потере (исчерпании) сорбционной способности материал загрузки заменяют. Уголь может быть регенерирован термическим способом, минеральные сорбенты удаляют на полигоны отходов.

Эффект сорбции существенно повышается при сочетании его с озонированием. Эффект сорбционной глубокой очистки при предварительном озонировании воды повышается на 30…60% в зависимости от дозы озона в интервале от 3 до 14 мг/л. При совместном проведении сорбции и озонирования эффективность сорбции на угле в 1,5…3 раза выше, чем без предварительного окисления.

Обеззараживание сточных вод производят для уничтожения содержащихся в них патогенных бактерий и вирусов и устранения опасности заражения водоема этими микробами при спуске в него очищенных сточных вод. Патогенные микробы не могут быть полностью удалены ни при отстаивании, ни при биологической очистке сточных вод. В сооружениях для искусственной биологической очистки (в биофильтрах и аэротенках) устраняется от 91 до 98% таких бактерий, поэтому после механической и искусственной биологической очистки сточные воды до спуска их в водоемы необходимо обеззараживать. В случаях почвенной очистки сточных вод на полях орошения или полях фильтрации обеззараживания, как правило, не требуется, так как устраняется до 99,9% бактерий.

Действующие Правила охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами требуют, чтобы сточная пода не содержала возбудителей заболеваний. Ввиду сложности непосредственного определения содержания патогенных бактерий в сточных водах обычно применяют метод оценки эффективности их обеззараживания, но титру кишечной палочки. Обеззараживание сточных вод может быть признано достаточным, если коли-титр в них будет доведен до 100.

В целях обеззараживания сточных вод наибольшее распространение получило хлорирование жидким хлором, хлорной известью или гипохлоритом натрия, полученным электролитическим путем. Доза хлора, необходимая для обеззараживания воды, зависит от количества болезнетворных бактерий, органических и неорганических веществ, способных к окислению, которые находятся в сточной воде. Сущность обеззараживающего действия хлора заключается в окислении и инактивации ферментов, входящих в состав протоплазмы клеток бактерий, в результате чего последние погибают.

При обеззараживании хлор должен быть хорошо перемешан с дезинфицируемой водой и находиться не менее 30 мин в контакте с ней. Контакт хлора со сточной водой осуществляется в сооружениях, называемых контактными резервуарами, а также в лотках и трубах до спуска воды в водоем.

Для предварительных подсчетов в проектах расчетные дозы хлора следует принимать: для отстоянной сточной воды — 30 г/м3; для не полностью очищенной сточной воды в аэротенках или высоконагружаемых биофильтрах — 15 г/м3; для полностью очищенной сточной воды — 5…10 г/м3.

Обеззараживание больших масс воды, как правило, осуществляется жидким хлором или гипохлоритом натрия; при малых количествах сточных вод (до 1000 м3/сут) применяют хлорную известь или гипохлорит натрия. Установка для дезинфекции сточной воды состоит из хлораторной, смесителя и контактных резервуаров.

Озонирование предполагает использование озона, являющегося одним из наиболее сильных окислителей. Обеззараживающее действие озона основано на его высокой окислительной способности, объясняющейся легкостью отдачи им активного атома кислорода. Окислительно-восстановительный потенциал озона 1,9 В, хлора — 1,36 В, кислорода — 1,23 В. Озоновоздушная смесь, полученная в озонаторе, взаимодействует с водой в контактных резервуарах. Полнота использования озона зависит от степени диспергирования озонированного воздуха в воде. Наиболее полное использование озона достигается при диспергировании воздуха фильтросами, пористыми трубами и эжекторами.

Благодаря высокому окислительному потенциалу озон энергично вступает во взаимодействие со многими минеральными и органическими веществами, в том числе и с плазмой микробных клеток. Озон действует на бактерии быстрее хлора и применяется в меньших дозах — 0,5…5 мг/л в зависимости от содержания в воде способных окисляться веществ. Температура воды и величина pH оказывают гораздо меньшее влияние на эффект озонирования воды, нежели на хлорирование. Важным преимуществом озонирования является то, что дозирование озона не требует такой тщательности, как дозирование хлора.

При озонировании наряду с обеззараживанием происходят окисление и разрушение истинно растворенных и коллоидных органических примесей воды, что приводит к снижению цвета и запаха и исключает специальную обработку для этих целей, упрощая тем самым схему очистки воды.

Ультрафиолетовое обеззараживание (УФ) относится к современным способам дезинфекции очищенных вод. Было замечено, что хлорирование воды приводит к образованию опасных побочных продуктов. Анализ альтернативных хлорированию технологий обеззараживания показал, что все окислительные технологии обеззараживания приводят к форматированию тех или иных побочных продуктов, большинство из которых представляет опасность для здоровья людей. Вторым важным фактором в продвижении УФ-технологии явилась недостаточная эффективность хлорирования в отношении ряда микроорганизмов, в частности Cryptosporidium parvum. Ультрафиолетовое обеззараживание оказалось идеальным решением обеих этих проблем, что и стало причиной бурного развития УФ-технологии во всем мире.

Для обеззараживания используется биологически активная область спектра УФ-излучения с длиной волны от 205 до 315 нм, называемая бактерицидным излучением. Максимальная эффективность инактивации микроорганизмов наблюдается в диапазоне волн 250…270 нм: на этот участок спектра приходится длина волны, генерируемая УФ-лампами низкого давления, — 254 нм. Рекомендуемая доза УФ-облучения, которая является основным критерием эффективности обеззараживания очищенной сточной воды, также измеряется на длине 254 нм и составляет 30 мДж/см2.

Обеззараживающее действие ультрафиолета основано на необратимых повреждениях нуклеиновых кислот ДНК и РНК. При размножении микроорганизма происходит удвоение молекулы нуклеиновой кислоты. УФ-излучение на длине 254 нм эффективно поглощается нуклеиновыми кислотами. В результате УФ-воздействия в структуре нуклеиновых кислот образуются сшивки, которые делают невозможным удвоение ДНК/РНК, а следовательно, исключает возможность и размножения микроорганизма. Инактивированный таким образом микроорганизм не представляет опасности для живых организмов.

Бактерицидный ультрафиолет избирательно действует только на микроорганизмы, не оказывая воздействие на химический состав среды, что имеет место при использовании химических дезинфектантов.

Преимуществами УФ-обеззараживания являются:

• — УФ-облучение летально для большинства бактерий, вирусов, спор и паразитарных простейших. Оно уничтожает возбудителей таких инфекционных болезней, как тиф, холера, дизентерия, вирусный гепатит, полиомиелит и др. У Ф-излучение инактивирует микроорганизмы, устойчивые к хлорированию;
• — обеззараживание ультрафиолетом происходит за счет фотохимических реакций внутри микроорганизмов, поэтому на его эффективность изменение характеристик воды оказывает намного меньшее влияние, чем при обеззараживании химическими реагентами. В частности, на воздействие УФ-излучения на микроорганизмы не влияют pH и температура воды;
• — в отличие от хлорирования и озонирования после воздействия УФ-излучения в воде не образуется вредных органических соединений даже в случае многократного превышения требуемой дозы;
• — УФ-излучение не влияет на органолептические свойства воды (запах, привкус);
• — время обеззараживания при УФ-облучении составляет 1.,.10 с в проточном режиме, поэтому отсутствует необходимость в создании контактных емкостей;
• — современные УФ-лампы и пускорегулирующая аппаратура к ним выпускаются серийно, имеют высокий эксплуатационный ресурс;
• — метод безопасен для людей, отсутствует необходимость создания складов токсичных хлорсодержащих реагентов, требующих соблюдения специальных мер технической и экологической безопасности, что повышает надежность систем водоснабжения и канализации в целом;
• — УФ-оборудование компактно, требует минимальных площадей, его внедрение возможно в действующие технологические процессы очистных сооружений без их остановки, с минимальными объемами строительно-монтажных работ;
• — простота в эксплуатации. Требуются только периодическая очистка поверхности кварцевых чехлов и замена ламп по мере выработки ресурса, не требуется применять вспомогательные устройства и специальный обслуживающий персонал;
• — процесс УФ-обеззараживания может быть легко автоматизирован;
• — нет коррозии технологического оборудования;
• — для обеззараживания УФ-излучением характерны более низкие, чем при хлорировании и тем более озонировании, эксплуатационные расходы. Это связано со сравнительно небольшими затратами электроэнергии (10…30 Вт на 1 м³ обрабатываемой воды).

Очищенные сточные воды после обеззараживания отводятся по закрытому трубопроводу или открытому каналу к месту спуска в водоем. Отводный канал обычно оканчивается береговым колодцем, из которого воды спускаются непосредственно в водоем через выпуск, располагаемый в местах с повышенной турбулентностью потока (сужениях, притоках, порогах и пр.). Основная задача при устройстве выпуска — достижение наиболее полного смешения выпускаемой воды с водой водоема, чтобы получить наибольшее разбавление сточных вод, которые содержат еще некоторое количество загрязнений.

В зависимости от формы и режима участка реки при сбросе в нее очищенных сточных вод устраивают береговой или русловый выпуск; последний может быть сосредоточенным или рассредоточенным. При сбросе очищенной жидкости в море или водохранилище устраивают береговые или глубоководные выпуски. Устройство берегового выпуска проще, однако степень разбавления меньше, чем при русловом выпуске. Рассредоточенный выпуск (каждый выпуск заканчивается оголовком) обеспечивает лучшее смешивание сточной воды с водой водоема.

Скорости течения в подводной части выпуска следует назначать не меньше 0,7 м/с для предохранения его от заиливания. Отверстия оголовка располагают на расстоянии 0,5…1 м от дна во избежание размыва дна или заноса оголовка. Расстояние от нижней поверхности льда до отверстий должно быть не менее 0,5…1 м.

При выпуске сточных вод в море место выпуска должно быть расположено за границами селитебной части и выбрано так, чтобы был обеспечен унос выпускаемых сточных вод от населенного места морским течением. Длина выпуска до установленной глубины заложения его устьевой части должна быть наименьшей, выпускные отверстия располагают на глубине не менее 1 м от уровня воды при отливе и не менее 1 м от дна моря.

Выпуск в реку располагается на определенном расстоянии (вниз по течению) от границ канализуемого населенного места, водоприемных сооружений для хозяйственно-питьевых целей, участков водоема, используемых для спортивных целей и купанья.

При выпуске сточных вод в мощные реки и особенно в озера или моря может оказаться возможным с санитарной точки зрения и целесообразным по экономическим показателям ограничиться механической очисткой и обеззараживанием сточных вод с последующим выпуском их далеко от берега вместо полной биохимической очистки сточных вод и выпуска их вблизи берега. Вариант выбирают в каждом случае на основе технико-экономического их сравнения.