Технологии и средства защиты гидросферы

Защита гидросферы организована в России с учетом особенностей поступления в водные объекты примесей и включает регулирование:

- поверхностного стока на водосборе;

- качества сточных вод;

- качества воды в объектах.

Вынос примесей в водные объекты с площади водосбора пропорционален поступающему в них стоку воды. Поэтому уменьшение диффузных (рассредоточенных) поступлений примесей достигается реализацией мероприятий, способствующих задержанию стока на водосборе. К таким мероприятиям относятся повышение степени залесенности водосборов, лиманное орошение, вспашка сельскохозяйственных полей в осенний период.

Регулирование поступления примесей с хозяйственно-бытовыми и производственными сточными водами осуществляется с помощью комплекса очистных сооружений. Состав сооружений и технологическая схема их размещения определяются составом и расходом сточных вод, необходимой глубиной очистки и устанавливается в процессе проектирования.

Глубина очистки сточных вод очистными сооружениями и вынос примесей в водные объекты устанавливаются на основе нормативов предельно-допустимых (ПДС) и временно согласованных сбросов (ВСС).

Для очистки сточных вод используются механические, биохимические,

физико-химические, термохимические и термические методы.

Выбор метода и соответствующего оборудования определяется характеристиками загрязнений, их концентрацией, физическими и химическими свойствами, а также требованиями эффективности очистки сбросов.

Механическая очистка сточных вод. Взвешенные в воде примеси имеют широкий диапазон размеров и их удаление требует часто нескольких ступеней очистки. Самые крупные примеси осаждаются методом процеживания воды через решетки и сита, размещаемые в коллекторах сточных вод перед отстойниками. Последующая очистка проводится методом отстаивания, т.е. осаждения под действием гравитационных сил. Для этого используются песколовки, отстойники и осветлители. Песколовки применяют для удаления из воды частиц минеральных и органических примесей с размерами не менее 0,2 мм. В отстойниках осаждение частиц происходит под действием сил тяжести. Наиболее эффективны осветлители, в которых механическое удаление частиц проводится после обработки воды коагулянтами. Коагулирование – это физико-химический процесс агломерации мелких частиц под действием сил молекулярного притяжения, возникающих при обработке воды солями многовалентных металлов. В результате устраняется мутность и цветность воды, а в ряде случаев снижается интенсивность вкуса и запахов.

Для удаления из сточных вод тонкодисперсных примесей применяют фильтрацию через пористые перегородки, изготавливаемые из минеральных (металлические сетки, стекловолокно, насыпной слой и др.) или органических веществ (синтетические волокна, ткани). По принципу действия различают поверхностные и глубинные фильтры. В первых – частицы оседают на пористую перегородку, во вторых – после оседания частицы адсорбируются перегородкой. Если количество очищаемых сточных вод достаточно велико, то применяют фильтры с зернистым слоем.

В промышленных очистных сооружениях широко применяются центробежные сепараторы – гидроциклоны для осаждения твердых примесей. Эти аппараты имеют высокую производительность и эффективность очистки до 70 %. Сточная вода тангенциально подается в аппарат и при вращении под действием центробежной силы разделяется на два потока. Часть жидкости с крупными частицами движется у стенок по винтовой спирали вниз к сливному отверстию. Другая часть (осветленная) поворачивается и движется вверх вблизи оси циклона к кольцевому лотку.

Для удаления из сточных вод плохо отстаивающихся нерастворимых примесей применяют метод флотации, при этом пузырек воздуха сближается с гидрофобной твердой частицей и всплывает вместе с ней на поверхность воды, где образуется пенный слой. В этом слое формируется повышенная концентрация частиц примесей, которая периодически удаляется из флотатора. Эффективность флотации зависит от природы примесей, смачиваемости частиц водой и характера взаимодействия реагентов с их поверхностью. Поверхностно-активные вещества (масла, жирные кислоты и их соли, амины, меркаптаны и др.) являются реагентами-собирателями и, адсорбируясь на частицах, понижают их смачиваемость, т.е. делают их гидрофобными. Поэтому прочность прилипания частицы к пузырьку максимальна.

Для тонкой и сверхтонкой очистки сточных вод применяются методы обратного осмоса и ультрафильтрации.

Данные методы реализуются в процессе фильтрования сточной воды через полупроницаемые мембраны при давлении - Р, превышающем осмотическое. Мембраны пропускают молекулы растворителя, задерживая молекулы растворенного вещества, размеры которых не больше молекул растворителя (обратный осмос при давлении до 10 МПа) или на порядок их больше (ультрафильтрация при Р=0,1-0,5 МПа). Обычно мембраны изготавливают из ацетатцеллюлозы. Установка обратного осмоса весьма проста и экономична, имеет высокую эффективность, но требует периодической замены мембран при заметном возрастании у поверхности концентрации растворенного вещества. Обратный осмос используют для разделения растворов, содержащих частицы с размерами 0,0001-0,001 мкм, а ультрафильтрацию - для частиц размерами 0,001-0,02 мкм.

Биохимическая очистка сточных вод основана на способности микроорганизмов – использовать многие растворенные в сточных водах органические и неорганические соединения для питания в процессе жизнедеятельности. Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки. Первая группа методов основана на использовании организмов, для жизнедеятельности которых необходим дополнительный приток кислорода при температурах 20-40⁰С. При этом методе аэробные микроорганизмы культивируются в активном иле или биопленке. Анаэробные методы реализуются без доступа кислорода и используются главным образом для обезвреживания осадков.

Аэробные процессы биохимической очистки проводят как в природных условиях, так и в искусственных сооружениях. В естественных условиях очистка происходит на полях орошения, полях фильтрации и в биологических прудах. Искусственными сооружениями являются аэротенки – открытые железобетонные аэрируемые резервуары, в которых очистка идет по мере протекания через него аэрированной смеси сточной воды и активного ила, а также биофильтры разной конструкции, в которых процессы очистки идут с большей скоростью, чем в природных условиях. Биофильтры представляют собой корпусные сооружения с кусковой насадкой и распылительными устройствами для сточной воды и воздуха. Сточная вода фильтруется через насадку, покрытую пленкой микроорганизмов. В процессе окисления сточной воды биопленка наращивает свою массу, а отработанная биопленка смывается с насадки и выводится из биофильтра. В качестве насадки используют щебень, гравий, шлак, керамзит, металлические и пластмассовые сетки и др.

Для первичной очистки высококонцентрированных промышленных сточных вод (БПК_полн»4-5 г/дм³), содержащих органические вещества, а также для образования осадков от биохимической очистки применяют анаэробные методы обезвреживания. Органические вещества разрушаются анаэробными бактериями в процессе брожения. Процесс брожения проводят в метанотенках - герметически закрытых емкостях с устройствами для ввода несброженного и отвода сброженного осадка. Степень сбраживания (распада органических веществ) в среднем составляет около 40 %, состав выделяющихся газов: 63-65 % метана, 32-34 % СО₂. Выделяющиеся газы обычно сжигают в топках котлов для получения тепловой энергии.

Процесс биохимической очистки протекает более устойчиво и полно при совместной очистке промышленных и бытовых стоков, поскольку последние содержат биогенные элементы, а также разбавляют производственные сточные воды.

Физико-химическая очистка сточных вод. Адсорбцию применяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических примесей (фенолов, ПАВ и др.) после биохимической очистки, а также, если концентрация таких примесей невелика и они биологически не разлагаются или сильно токсичны. Метод высокоэффективен (80-95 %), позволяет очищать сточные воды, содержащие несколько веществ, допускает рекуперацию этих веществ. Адсорбционная очистка может быть регенеративной, т.е. с извлечением вещества из адсорбента и его утилизацией и деструктивной, при которой адсорбент, содержащий извлеченные из сточных вод вещества уничтожается. В качестве адсорбентов используют активированный уголь, шлаки, глины, некоторые синтетические вещества и др.

При адсорбции поглотитель насыщается адсорбируемым веществом. Со снижением эффективности очистки адсорбцию прекращают, а адсорбент подвергают регенерации, десорбируя из него поглощенные вещества.

Адсорбер с использованием способа фильтрации воды через слой адсорбента, представляет собой колонну, в которой на решетке уложен сначала слой гравия, а затем слой адсорбента. Очищаемая вода подается снизу вверх, а пар для регенерации адсорбента - сверху вниз. Адсорберы с псевдоожиженным слоем действуют иначе. Адсорбент через воронку по трубе непрерывно подается под распределительную решетку с отверстиями 5-10 мм. Сточная вода захватывает зерна адсорбента и проходит вместе с ними через решетку, над которой образуется псевдоожиженный слой, где идет адсорбция. Избыток адсорбента поступает в сборник и из него на регенерацию. Очищенную воду через желоба отводят из колонны.

Адсорбированные ценные вещества извлекают десорбцией при регенерации адсорбента насыщенным или перегретым паром при температуре 200-300⁰С и давлении 0,3-0,6 МПа, или инертным газом при 120-130⁰С. После десорбции пар конденсируют и извлеченные вещества направляют на переработку.

Ионообменная очистка применяется для извлечения из сточных вод металлов (Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, V, Mn и др.), а также соединений мышьяка, фосфора, цианистых соединений и радиоактивных веществ. Ионный обмен используется в процессах водоподготовки для обессоливания воды. По завершении процесса ионного обмена иониты регенерируют.

Процессы ионообменной очистки промышленных стоков проводят, как правило, в установках непрерывного действия. Установки состоят из нескольких ионообменных аппаратов (колонн) с катионитом и анионитом, работающих с движущимся или с кипящим слоем ионита.

При очистке сточных вод, содержащих фенолы, масла, нефтепродукты, ионы металлов применяют методы экстракции. В общем случае экстракция более целесообразна, чем адсорбция, если концентрация извлекаемых веществ выше 3-4 г/дм³. Процесс очистки состоит из трех стадий. Сначала сточная вода интенсивно смешивается с экстрагентом (органическим растворителем) с образованием двух жидких фаз: экстракта (экстрагент с извлекаемым веществом) и рафината (сточная вода и экстрагент). Вторая стадия - разделение экстракта и рафината, третья стадия - регенерация экстрагента из экстракта и рафината.

Для очистки сточных вод наиболее часто применяют процессы противоточной экстракции.

Регенерация отработавшего экстрагента проводится с применением вторичной экстракции (с другим растворителем), а также выпариванием, дистилляцией, химическим взаимодействием или осаждением.

Высококачественное удаление из сточных вод токсичных и ценных компонентов производится электрохимическими методами. Очистку проводят без использования химических реагентов на автоматизированных установках с применением процессов анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляции, электрофлокуляции и электродиализа, протекающих при пропускании постоянного тока через очищаемую воду.

Анодное окисление и катодное восстановление проводят в электролизерах. На аноде ионы отдают электроны (реакция окисления), а на катоде происходит присоединение электронов (реакция восстановления). При окислении вещества, находящиеся в сточных водах, полностью распадаются с образованием CO₂, NH₃ и H₂O, или образуют простые нетоксичные соединения, которые затем удаляют другими методами. Катоды изготавливают из стали, графита, металлов, покрытых вольфрамом, молибденом. Для анодов используют электролитически нерастворимые материалы (графит, магнетит и др.). Анодное окисление широко применяют, например, для очистки сточных вод, содержащих простые и комплексные соединения цианидов. Катодное восстановление проводят для удаления из сточных вод ионов металлов с получением осадков, для перевода загрязняющего компонента в менее токсичную форму или в легко выводимое из воды соединение (осадок, газ).

Электрокоагулятор представляет собой ванну с электродами. При прохождении между ними сточной воды происходит ее электролиз, поляризация частиц, электрофорез, окислительно-восстановительные процессы и взаимодействие продуктов электролиза друг с другом.

В электрофлотаторах используется эффект удаления взвешенных частиц пузырьками газа, образующимися при электролизе воды (на аноде - кислорода, на катоде - водорода). Более эффективная очистка достигается при использовании растворимых электродов, в результате чего образуются кроме пузырьков газа еще и хлопья коагулянтов. Электрофлотационные установки применяют в случаях, когда обычная флотация не дает требуемого качества очистки.

Электродиализ для очистки промышленных сточных вод применяется крайне редко, хотя считается перспективным способом. Процесс основан на разделении ионизированных веществ под действием электродвижущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны мембран - анионообменной и катионообменной. Первая мембрана пропускает в анодную зону анионы, а вторая - катионы в катодное пространство.

К химическим реагентным методам относятся нейтрализация, окисление и восстановление компонентов сточных вод. Данные методы предполагают использование различных дорогостоящих реагентов. Поэтому их применение ограничено.

Сточные воды ряда производств загрязнены летучими примесями органического и неорганического происхождения, удаление которых осуществляется десорбцией. При пропускании инертного газа, малорастворимого в воде (воздух, диоксид углерода, дымовые газы и др.) через сточную воду, летучий компонент диффундирует в газовую фазу, поскольку парциальное давление газа над раствором больше, чем в окружающем воздухе. Десорбцию осуществляют в тарельчатых, каскадных и распылительных колоннах. Десорбированное из воды вещество направляют на адсорбцию или каталитическое сжигание.

В некоторых сточных водах содержатся дурно пахнущие вещества (сероводород, углеводороды, аммиак, альдегиды и пр.). Для их дезодорации используют ряд способов: аэрацию, хлорирование, ректификацию, дистилляцию, обработку продуктами сжигания топлива, окисление кислородом под давлением, озонирование, экстракцию, адсорбцию и микробиологическое окисление.

Термохимические и термические методы обезвреживания сточных вод. Особое место в технологиях очистки сточных вод занимают методы их обезвреживания от содержащихся минеральных солей Ca, Mg, Na и др., а также органических соединений. Термические методы реализуются рядом способов:

- концентрированием сточных вод с последующим выделением твердых веществ;

-окислением органических примесей в присутствии катализатора;

- жидкофазным окислением органических веществ;

- огневым обезвреживанием.

Концентрирование применяют для удаления из воды минеральных солей. Для этого используют испарительные (выпарные) установки и установки вымораживания, позволяющие получить концентрированные водные растворы солей. Последующая обработка этих растворов в кристаллизаторах с отделением кристаллов от маточного раствора на фильтрах и сушка в распылительных (или аналогичных по назначению) сушилках позволяет получать твердый продукт, имеющий высокую потребительную стоимость.

Для обезвреживания сточных вод с небольшим содержанием органических примесей применяют термоокислительную обработку жидкофазным, парофазным каталитическим окислением или огневым методом. Окисление примесей осуществляют кислородом воздуха при повышенных температурах с образованием нетоксичных соединений.

Жидкофазное окисление применяют при наличии в сточных водах достаточного количества органических соединений. Процесс проводят при температурах 100-350⁰С и давлении 2-28 МПа. Сначала сточную воду смешивают с воздухом, нагнетаемым в нее компрессором, и насосом подают в теплообменник. В нем она подогревается теплом отходящей очищенной воды и затем подается для дальнейшего нагрева в печь. Нагретая до заданной температуры вода поступает в реактор, где идет процесс окисления, сопровождающийся значительным тепловыделением. Продукты окисления (пар, газы, зола) и воду направляют в сепаратор, где газы отделяют от жидкости и направляют на утилизацию тепла, а воду с золой пропускают через теплообменник и фильтр для отделения золы. Метод отличается простотой, гибкостью и позволяет очищать большие количества сточных вод.

Парофазное каталитическое окисление - это гетерогенный процесс окисления летучих органических веществ кислородом воздуха при повышенной температуре. Процесс интенсивно протекает в паровой среде контактных аппаратов в присутствии медно-хромового, цинк-хромового и других катализаторов. Степень обезвреживания достигает 99,8 % при высокой производительности установки. Сточную воду подают в выпарной аппарат, откуда «упаренная» вода поступает в центрифугу, из которой обезвоженный осадок направляют на обезвреживание сжиганием в печи. Водяной пар с летучими соединениями подают в теплообменник, где он подогревается теплом парогазовой смеси, отходящей из контактного аппарата. После теплообменника пары смешивают с горячим воздухом и направляют в контактный аппарат для окисления. Продукты сжигания осадка из печи поступают в котел-утилизатор, вырабатывающий пар подается в выпарной аппарат.

Из термических методов огневой является наиболее универсальным и эффективным. Он реализуется в процессе распыления сточных вод в топочных газах, имеющих температуру 900-1000⁰С. При этом вода полностью испаряется, примеси выгорают, а минеральные вещества образуют твердые или оплавленные частицы. Для сжигания используют печи различных конструкций: камерные, циклонные, с псевдоожиженным слоем. Относительная простота технологий огневого обезвреживания сточных вод, возможность достижения высоких степеней очистки делает эти методы перспективными.