Защита водной среды

Очистка сточных вод предприятия в настоящее время является основным способом достижения нормативов ПДС (предельно допустимого сброса) по вредным химическим веществам, сбрасываемым предприятием-загрязнителем в водные экосистемы независимо от того, сбрасываются ли сточные воды через канализационные сети системы «Водоканал» или непосредственно в водоисточник.

Выбор метода и сооружения очистки сточных вод в первую очередь определяется их фазово-дисперсным составом. Кроме того, учитывается количество сточных вод, требуемая степень очистки, наличие энергетических ресурсов и свободных площадей для очистных сооружений.

В основу классификации методов и сооружений очистки сточных вод по фазово-дисперсному составу (классификация Кульского) кладется подход, в соответствии с которым сточная вода рассматривается как система: вода + примесь (табл. 4.4). В зависимости от агрегатного состояния примеси системы делятся на гомогенные и гетерогенные, а в зависимости от дисперсного состава - на классы. Устойчивость системы возрастает с уменьшением размеров примесных частиц; соответственно возрастают затраты на отделение примесей (на очистку сточных вод).

Таблица 4.4

Классификация сточных вод и методов очистки (водоподготовки)

по фазово-дисперсному составу

Системы	Гетерогенные: жидкая + твердая фазы	Гомогенные: одна фаза - раствор
Классы	Взвеси (суспензии)	Коллоидные растворы и растворы высокомолекулярных соединений	Молекулярные растворы органических веществ: спирты, амины, органические кислоты	Ионные растворы электролитов: растворенные минеральные вещества
Диаметр частиц, м	10-3 - 10-7	10-8	10-9	10-10
	Грубая очистка: канализация	Тонкая очистка: водоподготовка
Методы очистки	Механическая: процеживание, осаждение, отстаивание, фильтрование, центрифугирование, флотация	Коагулирование с флокуляцией, озонирование и иные окислительные методы	Адсорбция, экстракция, биологическая очистка	Дистилляция, вымораживание, ионный обмен, электродиализ, обратный осмос и др.

Ниже дана краткая характеристика указанных в таблице методов очистки сточных вод.

Процеживание - самая первая ступень очистки сточных вод перед направлением их на любой другой вид очистки. Проводится с целью извлечения крупных примесей, которые могут засорить трубы и каналы. Устройствами для процеживания могут быть решетки, которые устанавливаются в лотках и каналах на пути сточных вод, или сита, которые устанавливаются перед отстойниками.

Отстаивание осуществляется в сооружениях широкого класса, отличных друг от друга по назначению и конструктивным особенностям. С помощью отстаивания можно отделять как примеси с плотностью больше единицы (песколовки), так и примеси с плотностью менее единицы (жиронефтеловушки). По конструктивному признаку отстойники подразделяются на горизонтальные, вертикальные и радиальные. По местоположению в технологической схеме очистки отстойники могут быть первичными и вторичными.

В горизонтальных отстойниках взвешенная в воде твердая частица находится под действие силы Стокса, увлекающей ее с потоком воды, и гидравлической крупности - гравитационного показателя частицы. Условием выделения частицы из потока, то есть условием эффективной работы отстойника, будет условие, при котором направление результирующей этих двух сил пересечет днище сооружения. Именно это условие и кладется в основу расчета горизонтального отстойника (рис. 4.5).

Для повышения эффективности очистки существующие отстойники можно оборудовать элементами тонкослойного отстаивания. При тонкослойном отстаивании, когда частица попадает в узкое пространство между параллельными пластинами, результирующая траектория её движения очень быстро пересекает поверхность осаждения, что и определяет высокую вероятность выделения частицы из потока, а в конечном итого – высокую эффективность очистки сточной воды.

Фильтрование применяют для выделения из сточных вод тонкодиспергированных твердых или жидких веществ, отделение которых отстаиванием затруднено. Разделение проводят с помощью пористых перегородок, пропускающих жидкость и задерживающих примесную фазу.

Отделение примесей центрифугованием осуществляется под действием центробежной силы в гидроциклонах и центрифугах. Все охарактеризованные выше методы очистки относятся к механическим, т.к. в основе процессов лежат механические силы: гравитационные, инерционные и центробежные. Все остальные методы очистки сточных вод, за исключением биологических, относятся к физико-химическим методам.

Коагуляция - это метод очистки, основанный на процессе укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты. Коагуляция используется для ускорения осаждения тонкодиспергированных примесей и эмульгированных веществ. Коагуляция может происходить самопроизвольно (но это может быть процесс длительный) и под действием специальных веществ - коагулянтов. В качестве коагулянтов обычно используются соли алюминия, железа или их смеси. Коагулянты в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, которые за счет слабой положительной заряженности улавливают примесные частицы, имеющие отрицательный заряд, агрегатируют их и оседают вместе с ними под действием силы тяжести.

Флокуляция - это процесс агрегации взвешенных частиц, протекающий при добавлении в сточную воду (кроме коагулянтов) флокулянтов - высокомолекулярных соединений, назначение которых состоит в интенсификации процесса коагуляции. Применение флокулянтов позволяет снизить расход коагулянтов, уменьшить продолжительность процесса коагуляции и повысить скорость осаждения образующихся хлопьев. К естественным флокулянтам относятся крахмал, декстрин. Из синтетических наибольшее распространение в качестве флокулянта получил полиакриламид. Особенностью применения флокулянтов является их строгая дозировка.

Флотация применяется для удаления из сточных вод нерастворимых примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются. На многих предприятиях этим методом широко пользуются для очистки сточных вод от жира, масел, нефтепродуктов. Процесс очистки сточных вод от взвешенных примесей флотацией основан на свойствах частиц взвеси образовывать флотокомплексы с пузырьками воздуха (газа), которые за счет плотности меньшей, чем у воды всплывают к её поверхности, образуя пену с повышенной концентрацией отделяемого вещества.

Окислительные способы очистки сточных вод основываются на том, что загрязнения, содержащиеся в сточных водах, в результате химических реакций переходят в менее токсичные, которые и удаляются из воды. В качестве окислителей используют: газообразный и сжиженный хлор, диоксид хлора, хлорат кальция, перманганат калия, пероксид водорода, кислород воздуха, озон и др. Активность вещества как окислителя определяется величиной окислительного потенциала. Из всех известных в природе окислителей первое место занимает фтор, который, однако, из-за высокой агрессивности мало используется на практике. Для других веществ величина окислительного потенциала будет: для озона - 2,07; для хлора - 0,94; для пероксида водорода - 0,68; для перманганата калия - 0,59.

Окисление озоном позволяет одновременно обеспечить обесцвечивание воды, устранение привкусов и запахов и обеззараживание. Озонированием можно очищать сточные воды от фенолов, нефтепродуктов, сероводорода, ПАВ (поверхностно-активных веществ), ароматических углеводородов, пестицидов и др. Чистый озон взрывоопасен, чрезвычайно токсичен (1-й класс опасности), что требует осторожности при его применении. Обеззараживающее действие озона основано на его высокой окислительной способности, обусловленной легкостью отдачи активного атома кислорода.

Адсорбционные методы широко применяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической очистки; также адсорбция может служить и самостоятельным методом очистки от растворенных органических примесей, если их концентрация невелика. Адсорбцию используют для обезвреживания сточных вод от фенолов, ароматических нитросоединений, красителей, ПАВ. Достоинством метода является высокая эффективность, очистка сразу от нескольких примесей, и, что очень важно, возможность рекуперации выделенных веществ. Эффективность адсорбционной очистки достигает 80-95 % и зависит от химической природы адсорбента, величины адсорбционной поверхности (пористости адсорбента) и его доступности. В качестве адсорбентов используются активные угли, синтетические сорбенты и некоторые отходы производства (золы, шлаки, опилки).

Жидкостную экстракцию применяют для очистки сточных вод, содержащих фенолы, масла, органические кислоты и др. Целесообразность использования экстракции определяется концентрацией органических примесей в сточной воде. Экстракция может быть экономически выгодным процессом, если стоимость извлекаемых веществ компенсирует затраты на его проведение. Для каждого вещества существует концентрационный предел рентабельности его извлечения из сточных вод. Для большинства веществ можно считать, что при концентрации их свыше 3-4 г/л экстракция рациональнее адсорбции.

Очистка сточных вод экстракцией проходит в три стадии. Первая - интенсивное смешение сточной воды с экстрагентом (органическим растворителем). В условиях развитой поверхности контакта между жидкостями образуются две жидкие фазы. Одна фаза - экстракт, содержит извлекаемое вещество и экстрагент; другая - рафинат, содержит сточную воду и экстрагент. Вторая стадия процесса очистки - разделение экстракта и рафината за счет их разных плотностей; третья - регенерация экстрагента из экстракта и рафината.

Для достижения высокой степени очистки необходимо правильно выбрать экстрагент и скорость его подачи в сточную воду. Экстрагент должен отвечать следующим требованиям: растворять извлекаемое вещество гораздо лучше, чем вода; обладать большой селективностью; иметь плотность значительно меньше, чем плотность воды; иметь физические показатели, такие как температура кипения, теплоемкость и др., значительно отличающиеся от соответствующих показателей экстрагируемого вещества, что обеспечит разделение экстрагента и экстрагируемого вещества; не взаимодействовать с извлекаемым веществом, так как это затруднит регенерацию.

Процесс биологической очистки основан на способности отдельных микроорганизмов использовать растворенные органические вещества в процессе своей жизнедеятельности. Именно эти органические вещества являются для микроорганизмов источником углерода.

Контактируя с органическими веществами, микроорганизмы частично разрушают их, превращая в воду, диоксид углерода, нитрит- и сульфат-ионы. Другая часть вещества идет на образование биомассы. Такое разрушение органических веществ называют биохимическим окислением. Схема биологической очистки приведена на рис.4.6.

Рис. 4.6. Схема биологической очистки сточных вод

Сточные воды, направляемые на биохимическую очистку, характеризуются величиной Б(Х)ПК. Б(Х)ПК - это биохимическая потребность в кислороде, или количество кислорода, использованного при биохимических процессах окисления органических веществ за определенный промежуток времени (2,5,8,10,20 суток) в мг O₂ на литр сточной воды. Сооружения, в которых осуществляется биохимическая очистка, называются аэротенками и биофильтрами. В аэротенках полезный биоценоз организмов и микроорганизмов используется в виде активного ила, в биофильтрах - в виде биопленки. Аэротенки имеют бóльшую производительность в сравнении с биофильтрами, и являются более простыми по условиям эксплуатации.

Эффективность очистки сточных вод предприятия во многом зависит от рациональной организации системы приема и канализования сточных вод. Сточные воды предприятия подразделяются на хозяйственно-бытовые (фекальные), производственные и ливневые (стоки атмосферных вод). Соответственно канализационная система может быть как общесплавной, то есть принимающей в себя все виды сточных вод, так и раздельной. Раздельная система канализации в экологическом отношении совершеннее. Она позволяет использовать на предприятии локальные сооружения очистки для производственных сточных вод, тем самым, снижая нагрузку на очистные сооружения системы «Водоканала» и, в конечном счете, на природные водные экосистемы.