Очистка сточных вод

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

Загрязнения сточных вод могут быть минеральными и органическими. К минеральным загрязнениям относятся песок, глина, шлак, бой стекла, растворы минеральных солей, кислот и щелочей. Органические загрязнения бывают растительного происхождения (остатки плодов, овощей, растений, бумага, растительные масла и пр.) и животного происхождения (физиологические выделения людей и животных, остатки тканей живых организмов, органические кислоты, различные бактерии, в том числе и болезнетворные, дрожжевые и плесневые грибки, мелкие водоросли — так называемые бактериальные и биологические загрязнения). В бытовых сточных водах содержатся такие болезнетворные (патогенные) бактерии, как возбудители заболеваний брюшного тифа, паратифа, дизентерии, сибирской язвы, а также яйца гельминтов (глистов), поступающие в сточные воды с физиологическими выделениями людей и животных. Возбудители заболеваний содержатся и в некоторых производственных сточных водах.

По физическому состоянию загрязнения сточных вод делятся на растворенные и нерастворенные, обладающие различной дисперсностью.

Степень загрязнения сточных вод характеризуется содержанием в них взвешенных и оседающих веществ, их биохимической и химической потребностью в кислороде, содержанием в них отдельных химических элементов и соединений, их активной реакцией и др.

Нерастворенные вещества находятся в сточных водах в виде крупной взвеси, суспензий, эмульсии и пены, представляя собой частицы размером 0,1 мк и более. Степень загрязнения сточных вод нерастворенными примесями обычно оценивают по содержанию в воде так называемых взвешенных веществ. Взвешенные вещества составляют ту часть нерастворенных примесей, которая задерживается на бумажном фильтре при фильтровании через него воды. Весовое количество взвешенных веществ определяют после высушивания их при температуре 105 °C, т. е. в сухом состоянии. Часть взвешенных веществ, состоящая из грубо дисперсных частиц с большим удельным весом, под действием силы тяжести может выпадать из воды в осадок. Другая часть взвешенных веществ, состоящая из мелкодисперсных частиц, удельный вес которых близок кудельному весу воды, может не осаждаться и оставаться во взвешенном состоянии.

Взвешенные вещества, выпадающие из воды на дно сосуда после ее двухчасового отстаивания, называются оседающими веществами. Содержание оседающих веществ в воде определяют путем отстаивания ее в сосудах Лисенко объемом 500 или 1000 см³. Разность содержания взвешенных веществ в воде до отстаивания и после двухчасового отстаивания равна содержанию оседающих веществ.

Содержание взвешенных и оседающих веществ, измеряемое в мг/л (миллиграммов сухого вещества в 1 л воды), г/л или г/м³ (граммов сухого вещества соответственно в 1 л или 1 м³ воды), называется концентрацией взвешенных и оседающих веществ. Часто содержание оседающих веществ характеризуется объемом осадка, выпавшего из единицы объема осветляемой воды. Тогда оно измеряется в см³/л (кубических сантиметров осадка в 1 л воды). Измерение этой величины также производят в сосуде Лисенко. Благодаря малому диаметру основания сосуда достигается высокая точность измерения объема осадка.

Количество взвешенных веществ, попадающих в воду от одного жителя города в сутки, практически постоянно и равно 65 г. Из них оседающие вещества составляют 40 г.

Концентрация взвешенных или оседающих веществ может быть определена по формуле:

где a — количество взвешенных или оседающих веществ, попадающих в сточную воду от одного жителя города, в г;

n — норма водоотведения, л/чел сут.

Величины концентрации взвешенных и оседающих веществ, вычисленные по этой формуле при разной норме водоотведения, приведены в табл. 1.

Таблица 1. Концентрация взвешенных и оседающих веществ при разной норме водоотведения.

Концентрация взвешенных и оседающих веществ в производственных сточных водах различна для разных производств и при расчетах может приниматься по данным анализов сточных вод аналогичных производств или по заданию технологов.

Часто бытовые и производственные сточные воды отводят и подвергают очистке совместно. Концентрацию взвешенных или оседающих веществ в смеси сточных вод определяют по формуле:

где k_б и k_п — концентрация взвешенных или оседающих веществ соответственно в бытовых и производственных водах, мг/л;

Q_б и Q_n — расход соответственно бытовых и производственных сточных вод, м³/сут.

Способность взвешенных веществ к осаждению или интенсивность осветления сточных вод определяют экспериментально путем отстаивания сточной воды в покое в цилиндрах определенного размера. В итоге этих опытов строят графики, которые называются кривыми кинетики осаждения взвесей. На рис. 1 представлен такой график для бытовых сточных вод с концентрацией взвешенных веществ к_о=200 мг/л.

Рисунок 1. Кривая кинетики осаждения взвесей для бытовых сточных вод с к_о = 200 мг/л: 1 — при высоте цилиндра 0,5 м; 2 — то же, 1 м; 3 — то же, 2 м; 4 — то же, 3 м; 5 — то же, 4 м; 6 — то же, 5 м.

На этом графике по оси ординат отложены величины так называемого эффекта осветления воды, определяемого по формуле:

где k_t — концентрация взвешенных веществ после отстаивания в течение времени.

По оси абсцисс отложена продолжительность отстаивания воды t в мин. Этот график показывает, какая часть взвесей, выраженная в процентах от их общего количества, выпала в осадок через определенное время (в цилиндре-отстойнике определенной высоты).

Подобные кривые кинетики осаждения взвесей используют для расчета сооружений, предназначенных для осветления воды (отстойников).

Важной характеристикой осадка, образующегося при осветлении воды, является его влажность. Осадок бытовых сточных вод имеет влажность В = 93−97% и объемный вес, близкий к объемному весу воды, т. е. 1 т/м³. Последнее обстоятельство объясняется преобладанием в нем твердой фазы органического происхождения и высокой влажностью. Вес твердой фазы G в осадке объемом W₁ с влажностью В₁ равен:

где v₀ — объемный вес осадка.

При изменившемся объеме W₂ вследствие изменения влажности В ₂ вес твердой фазы будет равен:

Из сравнения формул следует (при v₀ = 1 т/м³):

Если влажность осадка изменится с B₁ = 97% до В₂ = 94%, то объем осадка составит.

W₂ = 0,5W₁,

т.е. уменьшится в 2 раза. Это объясняется тем, что количество твердой фазы в осадке увеличилось c 3 до 6%.

Таким образом, из формулы следует, что объем, осадка изменяется обратно пропорционально изменению содержания в нем твердой фазы. Особо следует обратить внимание на то, что сравнительно небольшое изменение влажности осадка по абсолютной и относительной величине соответствует значительному изменению его объема. Это свойство осадка следует учитывать при проектировании емкостей для хранения осадка и сооружений для его переработки, предусматривая максимально возможное уплотнение осадка для уменьшения его влажности и объема.

Описанная зависимость изменения объема осадка от его влажности справедлива при снижении последней только до 80%. При дальнейшем снижении влажности осадок становится пористым, и изменение его объема перестает подчиняться установленному закону. Также несправедлива эта зависимость для осадков некоторых производственных сточных вод. Это относится к осадкам, объемный вес которых v_o значительно больше 1 т/м³ и изменяется с изменением влажности.

Степень загрязнения сточных вод органическими веществами, содержащимися в них в растворенном виде, в виде не оседающих веществ и коллоидов, оценивают их биохимической потребностью в кислороде (БПК) — количеством кислорода, необходимого для окисления этих веществ аэробными бактериями в процессе их жизнедеятельности. Окисление органических веществ происходит до полной их минерализации. Процесс потребления кислорода подчиняется следующему уравнению:

где L_t и L_a — БПК сточных вод соответственно за период времени t и до полного окисления органических веществ;

k₁ = 0,08+0,25 — константа скорости потребления кислорода, зависящая от температуры (с увеличением температуры константа k₁ увеличивается).

В табл. 2 приведены значения величины L_t вычисленные по формуле в процентах от величины L_a (при 20 °C и при k₁ =0,1).

Таблица 2. Значения величины Lt в % от величины La через t суток с начала биохимического окисления.

Из формулы и табл. 2 видно, что достигнуть полного окисления органических веществ, при котором значение L_t равнялось бы L_a невозможно, так как для этого потребовалось бы время, равное бесконечности. Время, необходимое для практически полного окисления органических веществ, составляет около 20−30 суток. Величину биохимической потребности в кислороде, соответствующей этому времени, называют полной биохимической потребностью в кислороде и обозначают БПК_полн. Современная методика определения БПК такова, что для ее осуществления требуется время, равное времени протекания самого процесса, т. е. для определения БПК_полн требуется 20−30 дней. В целях упрощения анализов биохимическую потребность в кислороде определяют по истечении меньшего периода времени, начиная от 5 суток, и обозначают ее ВПК_t (t — время, измеряемое в сутках). БПК ₅ составляет 68,4% БПК_полн, а БПК₂₀ — 99% БПК_полн (при k₁ =0,1). По истечении 20 суток основная масса органических загрязнений окисляется, поэтому в ряде случаев принимают БПК_полн = БПК ₂₀.

Различают величины БПК_t определяемые в воде, предварительно отстоянной в течение 2 ч, и в не отстоянной воде (взболтанная проба). Необходимость определения БПК в предварительно отстоянной воде вытекает из особенности схемы очистки сточных вод. Перед биохимической очисткой от растворенных коллоидных и не оседающих нерастворенных загрязнений сточные воды, как правило, подвергают осветлению в отстойниках. водоотведение сточный взвесь биохимический Наблюдениями установлено, что количество оцениваемых величиной БПК_полн загрязнений, поступающих в сточные воды от одного жителя города в сутки, практически постоянно и равно 40 г. Концентрация этих загрязнений в бытовых сточных водах и в смеси бытовых и производственных сточных вод определяется по тем же формулам и в тех же единицах измерения, что и концентрация взвешенных веществ (см. ранее).

При норме водоотведения n = 100 л/ сутки на одного жителя величина БПК_полн бытовых сточных вод будет равна:

при n = 200 л/сутки на одного жителя величина L_а = 200мг/л; при n = 400 л/сутки на одного жителя величина L_a = 100 мг/л (b = 40 г — величина БПК_полн загрязнений, поступающих в сточные воды от одного жителя города в сутки).

Поскольку не все органические вещества окисляются биохимически, для полной оценки загрязнений ими сточных вод определяют химическую потребность в кислороде (ХПК). ХПК всегда больше БПК. Для бытовых сточных вод ХПК в 1,2−2 раза больше БПК_полн. Для производственных сточных вод, содержащих трудноокисляемые органические вещества, это превышение может быть большим.

Важной характеристикой сточных вод является их активная реакция, выражаемая величиной рН. Бытовые сточные воды имеют слабощелочную реакцию (рН = 7,2−7,3). Производственные сточные воды разных отраслей промышленности имеют самую различную активную реакцию — от кислой до резко щелочной.

Величина рН сточных вод, подвергающихся биохимической очистке, должна быть в пределах от 6 до 9, в противном случае микроорганизмы-минерализаторы (активный ил) погибают.

В сточных водах содержится большое количество микроорганизмов. Общий объем бактериальной массы составляет около 400 л на 1000 м ³ сточной жидкости. Косвенным показателем загрязненности сточных вод патогенными бактериями (как и природных вод) является степень их загрязнения бактериями группы кишечной палочки (Coli). Она оценивается величиной коли-титра или коли-индекса. Коли-титр — объем воды в см³, в котором содержится одна кишечная палочка. Коли-индекс — количество кишечных палочек, содержащихся в 1 л воды. Для бытовых сточных вод коли-титр составляет 0,1 см³ и меньше.