Адаптировано из 3-го издания Энциклопедии по охране труда и технике безопасности.

Сточные воды очищаются для удаления загрязняющих веществ и в соответствии с ограничениями, установленными законом. Для этой цели предпринимаются попытки сделать загрязняющие вещества нерастворимыми в воде в виде твердых веществ (например, шлама), жидкостей (например, нефти) или газов (например, азота) путем применения соответствующих обработок. Затем используются хорошо известные методы для отделения очищенных сточных вод, которые должны быть возвращены в естественные водные пути, от загрязняющих веществ, ставших нерастворимыми. Газы выбрасываются в атмосферу, а жидкие и твердые остатки (шлам, масло, жир) обычно сбраживаются перед дальнейшей очисткой. В зависимости от характеристик сточных вод и требуемой степени очистки может применяться одно- или многоступенчатая очистка. Очистку сточных вод можно разделить на физические (первичные), биологические (вторичные) и третичные процессы.

Физические процессы

Различные процессы физической очистки предназначены для удаления нерастворимых загрязнителей.

Экранирование

Сточные воды проходят через фильтры, задерживающие крупные твердые частицы, которые могут блокировать или повредить оборудование очистных сооружений (например, клапаны и насосы). Показы обрабатываются в соответствии с местными ситуациями.

Удаление песка

Песок, содержащийся в сточных водах, необходимо удалять, так как он имеет тенденцию оседать в трубопроводах из-за своей высокой плотности и вызывать абразивный износ оборудования (например, центробежных сепараторов и турбин). Песок обычно удаляют, пропуская сточные воды через канал постоянного сечения со скоростью от 15 до 30 см/с. Песок собирается на дне канала и может быть использован после промывки для удаления гнилостных веществ в качестве инертного материала, например, для строительства дорог.

Удаление масла

Масла и неэмульгируемые жиры должны быть удалены, так как они прилипают к оборудованию очистных сооружений (например, бассейны и осветлители) и мешают последующей биологической очистке. Частицы масла и жира собирают на поверхности, пропуская сточные воды с соответствующей скоростью через баки прямоугольного сечения; они снимаются механически и могут использоваться в качестве топлива. Для обезжиривания часто используют многопластинчатые сепараторы компактной конструкции и высокой производительности: сточные воды пропускают сверху через пакеты плоских наклонных пластин; масло прилипает к нижним поверхностям пластин и движется к верхней, где и собирается. В обоих этих процессах обезжиренная вода выводится на дно.

Осаждение, флотация и коагуляция

Эти процессы позволяют удалять из сточных вод твердые вещества: тяжелые (диаметром более 0.4 мкм) осаждением и легкие (менее 0.4 мкм) флотацией. Эта очистка также зависит от различий в плотности твердых частиц и проточных сточных вод, которые проходят через отстойники и флотационные резервуары, изготовленные из бетона или стали. Частицы, подлежащие отделению, собираются на дне или на поверхности, оседая или поднимаясь со скоростями, которые пропорциональны квадрату радиуса частицы и разнице между плотностью частиц и кажущейся плотностью сточных вод. Коллоидные частицы (например, белки, латексы и масляные эмульсии) размером от 0.4 до 0.001 мкм не отделяются, так как эти коллоиды гидратируются и обычно отрицательно заряжаются при адсорбции ионов. Следовательно, частицы отталкиваются друг от друга, так что они не могут коагулировать и разделяться. Однако, если эти частицы «дестабилизированы», они коагулируют, образуя хлопья размером более 4 мкм, которые можно отделить в виде шлама в обычных отстойниках или флотационных резервуарах. Дестабилизация достигается коагуляцией, то есть добавлением от 30 до 60 мг/л неорганического коагулянта (сульфата алюминия, сульфата железа (II) или хлорида железа (III)). Коагулянт гидролизуется при заданных условиях рН (кислотности) с образованием положительных поливалентных ионов металлов, которые нейтрализуют отрицательный заряд коллоида. Флокуляция (агломерация коагулированных частиц в хлопья) облегчается добавлением от 1 до 3 мг/л органических полиэлектролитов (флокулянтов), в результате чего образуются хлопья диаметром от 0.3 до 1 мкм, которые легче отделить. Могут применяться отстойники горизонтального типа; они имеют прямоугольное сечение и плоское или наклонное днище. Сточная вода поступает по одной из головных сторон, а осветленная выходит через край с противоположной стороны. Также могут использоваться отстойники с вертикальным потоком, которые имеют цилиндрическую форму и дно в виде перевернутого прямого круглого конуса; сточная вода поступает посередине, а осветленная вода выходит из бака через верхний зазубренный край и собирается во внешний окружной канал. В двух типах резервуаров шлам оседает на дно и транспортируется (при необходимости с помощью сгребающего механизма) в коллектор. Концентрация твердых частиц в иле составляет от 2 до 10%, тогда как в осветленной воде от 20 до 80 мг/л.

Флотационные резервуары обычно имеют цилиндрическую форму, в их днищах установлены мелкопузырчатые воздушные диффузоры, при этом сточные воды поступают в резервуары в центре. Частицы прилипают к пузырькам, всплывают на поверхность и снимаются, а осветленная вода сливается вниз. В случае более эффективных «плавучих резервуаров с растворенным воздухом» сточные воды насыщаются воздухом под давлением от 2 до 5 бар, а затем позволяют им расширяться в центре плавучего резервуара, где мельчайшие пузырьки, образующиеся в результате декомпрессия заставляет частицы всплывать на поверхность.

По сравнению с осаждением флотация дает более густой шлам при более высокой скорости отделения частиц, поэтому требуется меньшее оборудование. С другой стороны, эксплуатационные расходы и концентрация твердых веществ в осветленной воде выше.

Для коагуляции и флокуляции коллоидной системы требуется несколько последовательно расположенных резервуаров. Неорганический коагулянт и, при необходимости, кислоту или щелочь для корректировки значения рН добавляют в сточные воды в первой емкости, оборудованной мешалкой. Затем суспензию пропускают во второй резервуар, оборудованный высокоскоростной мешалкой; здесь полиэлектролит добавляют и растворяют в течение нескольких минут. Рост стаи происходит в третьем резервуаре с тихоходной мешалкой в ​​течение 10-15 минут.

Биологические процессы

Процессы биологической очистки удаляют органические биоразлагаемые загрязнители с помощью микроорганизмов. Эти организмы переваривают загрязнитель аэробным или анаэробным процессом (с подачей атмосферного кислорода или без него) и превращают его в воду, газы (углекислый газ и метан) и твердую нерастворимую микробную массу, которую можно отделить от очищенной воды. Особенно в случае промышленных стоков должны быть обеспечены надлежащие условия для развития микроорганизмов: наличие соединений азота и фосфора, следов микроэлементов, отсутствие токсичных веществ (тяжелых металлов и т. д.), оптимальная температура и значение рН. Биологическая очистка включает аэробные и анаэробные процессы.

Аэробные процессы

Аэробные процессы более или менее сложны в зависимости от доступного пространства, требуемой степени очистки и состава сточных вод.

Стабилизационные пруды

Как правило, они прямоугольной формы и имеют глубину 3–4 м. Сточные воды поступают с одного конца, оставляются на срок от 10 до 60 дней и покидают пруд частично с противоположного конца, частично за счет испарения и частично за счет инфильтрации в землю. Эффективность очистки колеблется от 10 до 90% в зависимости от типа сточных вод и остаточного 5-суточного биологического потребления кислорода (БПК).₅) содержание (<40 мг/л). Кислород поступает из атмосферы за счет диффузии через поверхность воды и от фотосинтезирующих водорослей. Твердые вещества, взвешенные в сточных водах, и вещества, образующиеся в результате микробной деятельности, оседают на дно, где они стабилизируются аэробными и/или анаэробными процессами в зависимости от глубины водоемов, что влияет на диффузию как кислорода, так и солнечного света. Диффузия кислорода часто ускоряется поверхностными аэраторами, которые позволяют уменьшить объем прудов.

Этот тип очистки очень экономичен при наличии места, но требует глинистой почвы, чтобы предотвратить загрязнение подземных вод токсичными стоками.

Активированный ил

Используется для ускоренной очистки, проводимой в бетонных или стальных резервуарах глубиной от 3 до 5 м, где сточные воды вступают в контакт со взвесью микроорганизмов (от 2 до 10 г/л), которая насыщается кислородом с помощью поверхностных аэраторов. или вдуванием воздуха. Через 3-24 часа смесь очищенной воды и микроорганизмов поступает в отстойник, где ил, образованный микроорганизмами, отделяется от воды. Микроорганизмы частично возвращаются в аэрируемый резервуар, а частично удаляются.

Существуют различные типы процессов с активным илом (например, системы контактной стабилизации и использование чистого кислорода), которые обеспечивают эффективность очистки более 95% даже для промышленных стоков, но требуют точного контроля и высокого потребления энергии для подачи кислорода.

Перколяционные фильтры

С помощью этого метода микроорганизмы не удерживаются во взвешенном состоянии в сточных водах, а прикрепляются к поверхности наполнителя, на который распыляются сточные воды. Воздух циркулирует через материал и поставляет необходимый кислород без каких-либо затрат энергии. В зависимости от типа сточных вод и для повышения эффективности часть очищенной воды рециркулируется в верхнюю часть фильтрующего слоя.

При наличии земли используются недорогие наполнители соответствующего размера (например, щебень, клинкер и известняк), а из-за веса слоя перколяционный фильтр обычно конструируется в виде бетонного резервуара высотой 1 м, который обычно заглубляется. в земле. Если земли недостаточно, более дорогие легкие упаковочные материалы, такие как высокопроизводительный пластиковый сотовый наполнитель с площадью поверхности до 250 квадратных метров на кубический метр наполнителя, укладываются в перколяционные колонны высотой до 10 м.

Сточные воды распределяются по фильтрующему слою с помощью мобильного или стационарного барботажного механизма и собираются в полу, чтобы в конечном итоге вернуться наверх и пройти в отстойник, где может осесть образовавшийся ил. Отверстия в нижней части перколяционного фильтра обеспечивают циркуляцию воздуха через фильтрующий слой. Достигается эффективность удаления загрязняющих веществ от 30 до 90%. Во многих случаях несколько фильтров располагаются последовательно. Этот метод, который требует мало энергии и прост в эксплуатации, нашел широкое применение и рекомендуется для тех случаев, когда имеется земля, например, в развивающихся странах.

Биодиски

Набор плоских пластиковых дисков, установленных параллельно на горизонтальном вращающемся валу, частично погружен в сточные воды, содержащиеся в резервуаре. Благодаря вращению биологический войлок, покрывающий диски, контактирует со стоками и кислородом воздуха. Биологический ил, сходящий с биодисков, остается во взвешенном состоянии в сточных водах, а система действует одновременно как активный ил и отстойник. Биодиски подходят для малых и средних промышленных предприятий и населенных пунктов, занимают мало места, просты в эксплуатации, требуют мало энергии и дают эффективность до 90%.

Анаэробные процессы

Анаэробные процессы осуществляются двумя группами микроорганизмов:гидролитические бактерии, которые разлагают сложные вещества (полисахариды, белки, липиды и др.) до уксусной кислоты, водорода, углекислого газа и воды; и метаногенные бактерии, которые превращают эти вещества в биомассу (которая может быть удалена из очищенных сточных вод путем осаждения) и в биогаз, содержащий от 65 до 70% метана, а остальное составляет двуокись углерода и имеющий высокую теплотворную способность.

Эти две группы микроорганизмов, очень чувствительных к токсическим загрязнителям, действуют одновременно в отсутствие воздуха при почти нейтральном значении рН, некоторым требуется температура от 20 до 38°С.^oC (мезофильные бактерии) и другие, более тонкие, от 60 до 65^oС (термофильные бактерии). Процесс осуществляется в перемешанном, закрытом бетоне или стали. варочные котлы, где необходимая температура поддерживается термостатами. Типичным является контактный процесс, где за варочным котлом следует отстойник для отделения ила, который частично рециркулирует в варочный котел, от очищенной воды.

Анаэробные процессы не требуют ни кислорода, ни энергии для снабжения кислородом и дают биогаз, который можно использовать в качестве топлива (низкие эксплуатационные расходы). С другой стороны, они менее эффективны, чем аэробные процессы (остаточное БПК₅: от 100 до 1,500 мг/л), действуют медленнее и труднее поддаются контролю, но позволяют уничтожать фекальные и патогенные микроорганизмы. Они используются для очистки твердых отходов, таких как осадочный ил из сточных вод, избыточный ил от обработки активным илом или перколяционными фильтрами, а также промышленные стоки с БПК.₅ до 30,000 XNUMX мг/л (например, с ликероводочных заводов, пивоваренных заводов, сахарных заводов, скотобоен и бумажных фабрик).

Третичные процессы

В более сложных и дорогих третичных процессах используются химические реакции или специальные химико-физические или физические методы для удаления водорастворимых небиоразлагаемых загрязнителей, как органических (например, красители и фенолы), так и неорганических (например, медь, ртуть, никель, фосфаты). , фториды, нитраты и цианиды), особенно из промышленных сточных вод, поскольку они не могут быть удалены другими способами очистки. Доочистка также позволяет получить высокую степень очистки воды, а очищенная таким образом вода может быть использована в качестве питьевой воды или для производственных процессов (парогенерация, системы охлаждения, техническая вода специального назначения). Наиболее важными третичными процессами являются следующие.

Атмосферные осадки

Осаждение осуществляется в реакторах, изготовленных из соответствующего материала и оснащенных мешалками, в которые добавляются химические реагенты при контролируемой температуре и уровне pH для преобразования загрязнителя в нерастворимый продукт. Полученный осадок в виде шлама отделяют по общепринятым методикам от очищенной воды. Например, в сточных водах предприятий по производству удобрений фосфаты и фториды становятся нерастворимыми в результате реакции с известью при температуре окружающей среды и щелочном рН; хром (кожевенная промышленность), никель и медь (гальванические цеха) осаждаются в виде гидроксидов при щелочном рН после восстановления с помощью m-дисульфит при рН 3 или ниже.

Химическое окисление

Органический загрязнитель окисляют реагентами в реакторах, аналогичных тем, которые используются для осаждения. Реакцию обычно продолжают до тех пор, пока в качестве конечных продуктов не будут получены вода и диоксид углерода. Цианиды, например, разрушаются при температуре окружающей среды добавлением гипохлорита натрия и гипохлорита кальция при щелочном рН, тогда как азо- и антрахиноновые красители разлагаются перекисью водорода и сульфатом железа при рН 4.5. Окрашенные стоки химической промышленности, содержащие от 5 до 10% небиоразлагаемого органического вещества, окисляют при 200-300°С при высоком давлении в реакторах из специальных материалов путем вдувания в жидкость воздуха и кислорода (мокрое окисление); иногда используют катализаторы. Патогены, оставшиеся в городских сточных водах после очистки, окисляются путем хлорирования или озонирования, чтобы сделать воду пригодной для питья.

Поглощение

Некоторые загрязняющие вещества (например, фенолы в сточных водах коксохимических заводов, красители в воде для промышленных или питьевых целей и поверхностно-активные вещества) эффективно удаляются путем абсорбции порошком или гранулами активированного угля, которые являются высокопористыми и имеют большую удельную поверхность (1000 мXNUMX).²/г и более). Порошок активированного угля дозированно добавляется в сточные воды в баках с мешалкой, и через 30-60 минут отработанный порошок удаляется в виде шлама. Гранулированный активированный уголь используется в последовательно расположенных градирнях, через которые проходит загрязненная вода. В этих градирнях регенерируется отработанный уголь, т. е. абсорбированные загрязнители удаляются либо химической обработкой (например, фенолы вымываются содой), либо термическим окислением (например, красители).

Ионный обмен

Некоторые природные вещества (например, цеолиты) или искусственные соединения (например, пермутит и смолы) стехиометрически и обратимо обменивают связанные с ними ионы на содержащиеся, даже сильно разбавленные, в сточных водах. Например, медь, хром, никель, нитраты и аммиак удаляются из сточных вод путем фильтрации через колонны, заполненные смолами. Когда смолы израсходованы, их реактивируют промывкой регенерирующими растворами. Таким образом, металлы извлекаются в концентрированный раствор. Эта очистка, хотя и дорогостоящая, эффективна и целесообразна в тех случаях, когда требуется высокая степень чистоты (например, для сточных вод, загрязненных токсичными металлами).

Обратный осмос

В особых случаях из разбавленных сточных вод можно получить воду высокой чистоты, пригодную для питья, пропуская ее через полупроницаемые мембраны. Со стороны сточных вод мембраны загрязняющие вещества (хлориды, сульфаты, фосфаты, красители, некоторые металлы) остаются в виде концентрированных растворов, которые необходимо утилизировать или обрабатывать для восстановления. Разбавленные сточные воды подвергаются давлению до 50 бар в специальной установке, содержащей синтетические мембраны из ацетата целлюлозы или других полимеров. Эксплуатационные расходы этого процесса низкие, и может быть достигнута эффективность разделения более 95%.

Обработка осадка

Превращение загрязняющих веществ в нерастворимые во время очистки сточных вод приводит к образованию значительного количества шлама (от 20 до 30% удаленного химического потребления кислорода (ХПК), который сильно разбавлен (от 90 до 99% воды)). Утилизация этого осадка способом, приемлемым для окружающей среды, предполагает обработку стоимостью до 50% от стоимости очистки сточных вод. Типы обработки зависят от назначения ила, в свою очередь, от его характеристик и местных условий. Шлам может быть предназначен для:

• удобрение или сброс в море, если оно практически не содержит токсичных веществ и содержит соединения азота и фосфора (шлам от биологической очистки), с использованием стационарных водостоков, грузовиков или барж

• санитарный полигон в ямы, вырытые в земле, чередуя слои ила и почвы. Герметизация торфа требуется, если в составе шлама есть токсичные вещества, которые могут вымываться атмосферными осадками. Ямы должны быть удалены от водоносных слоев. Нестабилизированный органический шлам обычно смешивают с 10-15% извести для замедления гниения.

• сжигание во вращающихся печах или печах с кипящим слоем, если шлам богат органическими веществами и не содержит летучих металлов; при необходимости доливается топливо, а выходящий дым очищается.

Шлам обезвоживается перед его удалением, чтобы уменьшить как его объем, так и стоимость его обработки, и его часто стабилизируют, чтобы предотвратить его гниение и обезвредить любые токсичные вещества, которые он может содержать.

удаление воды

Обезвоживание включает в себя предварительное сгущение в сгустителях, подобных отстойникам, где ил выдерживается от 12 до 24 часов и теряет часть воды, которая собирается на поверхности, а сгущенный ил сбрасывается вниз. Сгущенный ил обезвоживается, например, центробежной сепарацией или фильтрованием (под вакуумом или под давлением) на обычном оборудовании, или выдержкой на воздухе слоями толщиной 30 см в илоосушителях, состоящих из прямоугольных бетонных лагун, примерно 50 см глубиной, с наклонным дном, покрытым слоем песка для облегчения стока воды. Шлам, содержащий коллоидные вещества, должен быть предварительно дестабилизирован путем коагуляции и флокуляции по уже описанным методикам.

Стабилизация

Стабилизация включает пищеварение и детоксикацию. Сбраживание – это длительная обработка ила, в ходе которой он теряет от 30 до 50 % органического вещества, что сопровождается увеличением содержания в нем минеральных солей. Этот шлам больше не подвержен гниению, любые патогены уничтожаются, а фильтруемость улучшается. Сбраживание может быть аэробным, когда ил аэрируется в течение 8-15 дней при температуре окружающей среды в бетонных емкостях, процесс аналогичен обработке активным илом. Он может быть анаэробным, если осадок сбраживается на установках, аналогичных тем, которые используются для анаэробной обработки отходов, при температуре 35-40°С в течение 30-40 дней с получением биогаза. Сбраживание может быть термическим при обработке шлама горячим воздухом при температуре 200-250°С и давлении более 100 бар в течение 15-30 минут (мокрое сжигание), либо при его обработке в отсутствие воздух, при 180°С и аутогенном давлении, в течение 30-45 минут.

Детоксикация обезвреживает шламы, содержащие металлы (например, хром, никель и свинец), которые затвердевают при обработке силикатом натрия и автотермически превращаются в соответствующие нерастворимые силикаты.

Назад