Text
                    С. В. ЯКОВЛЕВ, чл.-кор. АН СССР,
Я. А. КАРЕЛИН, д-р техн. наук,
Ю. М. ЛАСКОВ, д-р техн. наук,
Ю. В. ВОРОНОВ, канд техн. наук
ОЧИСТКА
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ
СТОЧНЫХ
вод
ВТОРОЕ ИЗДАНИЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ
Под редакцией чл.-кор. АН СССР С. В. ЯКОВЛЕВА
Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по специальностям (Водоснабжение и канализация»
и ^Рациональное использование водных ресурсов и обезвреживание
промышленных стоков»
МОСКВА СТРОИИЗДАТ 1985


Порожня сторінка 2 Empty page 2 Пустая страница 2
¦вящается крупному ученому власти очистки сточных вод шре Александровне Карюхиной ПРЕДИСЛОВИЕ В настоящее время вопросы охраны окружающей природной среды и рационально- іспользования природных ресурсов приобретают исключительное значение. Актуаль- ъ этой проблемы подтверждена в принятых на"XXVI съезде КПСС Основных на- злениях экономического и социального развития СССР на 1981—1985 годы и на юд до 1990 года. В статье 18 Конституции СССР говорится о том, что в1 интересах оящего и будущих поколений в СССР принимаются необходимые меры для охра- и научно обоснованного, рационального использования земли и ее недр, водных 'рсов, растительного и животного мира, для сохранения в чистоте воздуха и воды, іпечения воспроизводства природных богатств и улучшения окружающей человека 1Ы. Саннтариое состояние водоемов является одним из аспектов социально-экоио- еского развития различных районов нашей страны. В материалах декабрьского A983 г.) и последующих Пленумов ЦК КПСС укаэы- эсь на то, что при современных масштабах и темпах развития производительных должны предъявляться повышенные требования к вопросам, связанным с охраной і'жающей среды и рациональным использованием природных ресурсов, так как речь :уществу идет о здоровье людей н о бережном, хозяйском подходе к национальному ітству страны; более того, это вопросы и будущего, от решения которых зависят )вия жизни последующих поколений. ЦК КПСС и Советом Министров СССР еще в декабре 1978 г. было принято по- ювление «О дополнительных мерах по усилению охраны природы и улучшению >льзования природных ресурсов». В этом постановлении также намечен комплекс эприятий, направленных на защиту водоемов от загрязнения и истощения, внедре- малоотходных технологических процессов, разработку новых методов и сооруже- по очистке производственных и городских сточных вод. Бурное развитие промышленности вызывает необходимость в предотвращении отдельного воздействия производственных сточных вод на водоемы. В связи с чрез- зйным разнообразием состава, свойств и расходов сточных вид промышленных іприятий необходимо применение специфических методов, а также сооружений по іокальной, предварительной и полной очистке. Коренным вопросом экономической политики нашей партии является ускорение іно-технического прогресса, чему было посвящено совещание, проведенное в ЦК ^С 11 июня 1985 г. Одним из основных направлений научно-технического прогрес- вляется создание малоотходных и безотходных технологических процессов. В об- н очистки сточных вод таким направлением является разработка канализацион- систем с минимальным сбросом сточных вод в водоем или без сброса — бессточ- Настоящее учебное пособие охватывает вопросы канализования промышленных прнятий и очистки производственных сточных вод, входящие в курсы «Каиализа- и «Технология очистки сточных вод». Последовательность изложения материала ветствует программам этих курсов, утвержденным Министерством высшего и сред- специального образования СССР в 1975 г. При написании учебного пособия использованы материалы последних научных а,боток научно-исследовательских и проектных институтов и лабораторий треста >чиствод, Союзводоканалниипроекта, НИИ КВОВ АКХ им. К. Д. Памфилова, (И ВОДГЕО, МИСИ им. В. В. Куйбышева, ЛИСИ и др., а также опыт работы туатационных организаций. Лредисловие и глава 5 написаны чл.-кор. АН СССР С. В. Яковлевым; главы 1, 3 - каид. техн. наук доц. Ю. В. Вороновым; главы 2, 6 и 9 — д-ром техн. наук проф. Карелиным; главы 7 и 8 — д-ром техн. наук проф. Ю. М. Ласковым. \вторы приносят благодарность заведующему кафедрой водоснабжения и канали- л Горьковского инженерно-строительного института им. В. П. Чкалова д-ру техн. проф. В. В. Найденко и сотрудникам этой кафедры за полезные советы, данные юдготовке рукописи к печати.
ГЛАВА 1. ВОДНОЕ ХОЗЯЙСТВО ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ В составе инженерных коммуникаций каждого промышленного предприятия имеется комплекс канализационных сетей и сооружений, с помощью которых осуществляется отведение с территории предприятия отработанных вод (дальнейшее использование которых либо невозможно по техническим условиям, либо нецелесообразно по технико-экономическим показателям), а также сооружений по предварительной обработке сточных вод и извлечению из них ценных веществ и примесей. Переход на бессточные системы канализации или системы с минимальным сбросом сточных вод может быть осуществлен путем многократного использования отработанных вод и замены водяного охлаждения на воздушное. При переводе ряда отраслей промышленности на безводные технологические процессы исключается образование сточных вод. При проектировании очистных сооружений необходимо учитывать состав и свойства производственных сточных вод, нормы водоотведения иа единицу продукции, условия выпуска производственных сточных вод в городскую канализацию и водоемы, а также необходимую степень их очистки. § I. СОСТАВ И СВОЙСТВА ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД. РЕЖИМ ВОДООТВЕДЕНИЯ Классификация. Сточные воды, отводимые с территорий промышленных предприятий, по своему составу могут быть разделены на три вида: 1) производственные —использованные в технологическом процессе производства или получающиеся при добыче полезных ископаемых .(угля, нефти, руд и т. п.); 2) бытовые — от санитарных узлов производственных и непроизводственных корпусов и зданий, а также от душевых установок, имеющихся на территории промышленных предприятий; 3) атмосферные — дождевые и от таяния снега. Производственные сточные воды делятся на две основные категории: загрязненные и незагрязненные (условно чистые). Загрязненные производственные сточные воды содержат различные примеси и подразделяются на три группы: 1) загрязненные преимущественно минеральными примесями (предприятия металлургической, машиностроительной, рудо- и угледобывающей промышленности; заводы по производству минеральных удобрений, кислот, строительных изделий и материалов и др.); 2) загрязненные преимущественно органическими примесями (предприятия мясной, рыбной, молочной, пищевой, целлюлозно-бумажной, химической, микробиологической промышленности; заводы по производству пластмасс, каучука и др.); 3) загрязненные минеральными и органическими примесями (предприятия нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, текстильной, легкой, фармацевтической промышленности; заводы по производству консервов, сахара, продуктов органического синтеза, бумаги, витаминов и др.). По концентрации загрязняющих веществ произвдоственные сточные воды разделяются иа четыре группы: 1—500, 500—5000, 5000—30 000, более 30 000 мг/л. Производственные сточные воды могут различаться по физическим свойствам загрязняющих их органических продуктов (например, по температуре кипения: менее 120, 120—250 и более 250°С).
По степени агрессивности эти воды разделяют на слабоагрессивные (слабокислые с рН=6-т-6,5 и слабощелочные с рН = 8-=-9), сильноагрессивные (сильнокислые с рН<6 и сильиощелочные с рН>9) и неагрессивные (с рН = 6,5-s-8). Незагрязненные производственные сточные воды поступают от хо- лоднльиых, компрессорных, теплообмеиных аппаратов. Кроме того, они образуются при охлаждении основного производственного оборудования и продуктов производства. На различных предприятиях, даже при одинаковых технологических процессах, состав производственных сточных вод, режим водоотведения и удельный расход на единицу выпускаемой продукции весьма разнообразны. Большое значение в формировании состава производственных сточных вод имеет вид перерабатываемого сырья. Так, например, основным загрязняющим компонентом сточных вод на нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих предприятиях является нефть; на рудообогати- тельных фабриках — руда; на мясокомбинатах — отходы мяса, непереваренная пища животных; на бумажных фабриках — целлюлозные волокна; на фабриках первичной обработки шерсти (ПОШ) — жир, шерсть н т. д. Состав сточных вод зависит также от технологического процесса производства, применяемых компонентов, промежуточных изделий и продуктов, выпускаемой продукции, состава исходной свежей воды, местных условий и др. Для разработки рациональной схемы водоотведения и оценки возможности повторного использования производственных сточных вод изучается их состав, и режим водоотведения. При этом анализируются физико-химические показатели сточных вод и режим поступлення в канализационную сеть не только общего стока промышленного предприятия, но и сточных вод от отдельных цехов, а при необходимости от отдельных аппаратов. В анализируемых сточных водах должны определяться: содержание компонентов, специфичных для данного вида производства (фенолов, нефтепродуктов, поверхностно-активных, ядовитых, радиоактивных, взрывоопасных веществ); общее количество органических веществ, выражаемое величинами БПКполн и ХПК; активная реакция; интенсивность окраски; степень минерализации. Необходимо установить такие параметры, как кинетика оседания или всплывания механических примесей н их объем, возможность коагулирования сточных вод и др. Эти данные позволяют выбрать наиболее целесообразный и экономически обоснованный метод очистки сточных вод для определенного предприятия. Физико-хнмическне показатели производственных сточных вод отдельных предприятий (табл. 1.1) свидетельствуют о широком диапазоне колебаний состава этих вод, что вызывает необходимость тщательного обоснования выбора оптимального метода очистки для каждого вида этих вод. На промышленных предприятиях значительная часть воды (на отдельных производствах до 70—90%) расходуется на охлаждение продуктов в теплообменных аппаратах (вода практически не загрязняется, а лишь нагревается). Кроме того, вода используется: для транспортирования и поглощения растворенных или нерастворенных (минеральных и органических) примесей; в качестве растворителя реагентов; в качестве среды, где происходят физико-химические реакции; для промывки промежуточной и готовой продукции (вода загрязняется продуктами, с которыми она соприкасается). Таким образом, вода на промышленных предприятиях используется, как правило, для вспомогательных целей и в состав продукции входит лишь в некоторых технологических процессах и сравнительно в небольших количествах.
ТАБЛИЦА 1.1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ СОСТАВА СТОЧНЫХ ВОД НЕКОТОРЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИИ Показатель Содержание, мг/л: плотного остатка взвешенных веществ азота аммонийного фосфатов .. нефтепродуктов жиров ПАВ фурфурола Интенсивность окраски по разбавлению БПКз, мг/л БПКпоЛа, МГ/Л ХПК, мг/л pH Металлургический комбинат 600 500 — 40 — — — — 50 8 Фабрика ПОШ 33 500 28000 210 — — 7800 — — 6300 17 800 44 000 9,5 Гидролизный завод 8600 950 150 40 — — 50 — 2400 3300 4900 5,5 Спиртово- крахмальный завод 1400 470 45 15 — — — 360 580 830 7,2 Красильно- отделочная фабрика 1200 170 12 1 — —- 100 — 1:150 200 250 600 9 Соответственно назначению воду в системах производственного водо- обеспечения можно разделить на четыре категории: вода I категории используется для охлаждения жидких и конденсации газообразных продуктов в теплообменных аппаратах без соприкосновения с продуктом; вода нагревается и практически не загрязняется; могут наблюдаться лишь аварийные утечки жидких и газообразных продуктов в воду при неисправных теплообменных аппаратах, загрязняющие ее; вода II категории служит в качестве среды, поглощающей различные нерастворимые (механические) и растворенные примеси; вода не нагревается (обогащение полезных ископаемых, гидротранспорт), но загрязняется механическими и растворенными примесями; вода III категории используется так же, как и вода II категории, но с нагревом (улавливание и очистка газов в скрубберах, гашение кокса и т. п.); вода IV категории служит в качестве экстрагента и растворителя реагентов (например, при флотационном обогащении природных ископаемых) и др. Значительное влияние на количество и состав производственных сточных вод имеет система водообеспечения: чем больше используется воды оборотного цикла на технологические нужды в тех же или в других операциях данного или соседнего предприятия, тем меньше абсолютное количество сточных вод и тем большее количество загрязнений в них содержится. Количество производственных сточных вод определяется в зависимости от производительности предприятия по укрупненным нормам во- допотребления и водоотведения для различных отраслей промышленности. Нормой водопотребления считается целесообразное количество воды, необходимое для производственного процесса, установленное (или рекомендуемое) на основании передового опыта или научно обоснованного расчета. Нормой водоотведения является установленное среднее количество сточных вод, отводимых от производства в водоем, при целесообразной норме водопотребления. В укрупненную норму водопотребления входят все расходы воды на предприятии как производственные, так и хозяйственно-питьевые, на душевые установки и т.1 а. Норма водоотведения включает количество выпускаьмы.ч в водоем сточных вод — очищенных производственных и бытовых: прг.иэволственных, не требующих очистки, фильтрационных из прудои-осисілителей, хвостохранилищ и шламонакопителей.
Укрупненные нормы водопотребления и водоотведения выражаются в м3 воды на единицу готовой продукции или используемого сырья. Эти нормы расхода производственных сточных вод следует применять при проектировании вновь строящихся и реконструируемых систем канализации промышленных предприятий. Укрупненные нормы позволяют дать оценку рациональности использования воды на любом действующем предприятии. Укрупненные нормы водоотведения в различных отраслях промышленности колеблются в широких пределах. Так, например, при добыче 1 т нефти образуется 0,4 м3 сточных вод, при добыче 1 т угля в шахтах— 0,3 м3, при выплавке 1 т стали или чугуна — 0,1 м3, при производстве 1 т вискозного штапельного волокна — 233 м3, 1 т удобрений — 3,9 м3, 1 т синтетических ПАВ — 1 м3, 1 т сульфитной целлюлозы — 218 м3, 1 т бумаги — 37 м3, 1 т цемента — 0,1 м3, 1 т льняных или шелковых тканей—соответственно 317 или 37 м3, 1 т мяса — 24 м3, 1 т хлеба — 3 м3, 1 т масла — 2,6 м3, 1 т сахара-рафинада — 1,2 м3, при изготовлении одного легкового автомобиля — 15,5 м3, одного автобуса — 80 м3, одного магистрального тепловоза — 710 м3. При выработке 1 МВт-ч электроэнергии на тепловых и атомных электростанциях с системами оборотного водоснабжения образуется в среднем 5 м3 сточных вод. При отсутствии норм водоотведения количество сточных вод определяется по технологическим расчетам в соответствии с регламентом производства. Количество сточных вод'от крупных промышленных предприятий достигает 200—400 тыс. м3/сут, что соответствует количеству сточных вод от городов с населением 1—2 млн. человек. Расчетные расходы производственных сточных вод, поступающих на очистные сооружения, QcyT, иэ/сут, и <JWp.c. л/с, определяются по следующим формулам: Q'eyt = NM; A.1) МИманосм „ ., „, Яиаке.с = г>з 6 ч* 1 ' где N — норма водоотведення на единицу продукции или перерабатываемого сырья с учетом водооборота, м3; М и Мм<шсхм—число единиц продукции или перерабатываемого сырья при максимальной выработке соответственно в сутки и смену; Т — число рабочих часов в смену, Кч — коэффициент часовой неравномерности. Если в состав комбината или завода входит ряд производств, выпускающих различную продукцию, то' необходимо определить количество сточных вод для каждого производства и комбината или завода в целом: &Mn, A.3) где Nu N2 Nn — нормы водоотведения на единицу продукции или перерабатываемого сырья на отдельных производствах; Ми М2, ..., Мп — число единиц продукции или перерабатываемого сырья на отдельных производствах в суткн. В ряде случаев необходимо определять количество сточных вод, сбрасываемых аппаратами и образующихся при отдельных операциях, а также количество сточных вод, отличающихся по характеру и концентрации загрязнений. Расчетные суточные, часовые и секундные расходы бытовых сточных вод на промышленных предприятиях определяются по смене с максимальным числом работающих людей, с учетом числа рабочих часов в смену по следующим формулам: 25пі + 45гс2 Iі-Ч 1000 ' 1 ' Г-1000 '.5ц, *¦ ' T- 3600
ТАБЛИЦА 1.2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДОВ БЫТОВЫХ СТОЧНЫХ ВОД НА ПРОМЫШЛЕННОМ ПРЕДПРИЯТИИ В ТЕЧЕНИЕ СМЕНЫ (% СМЕННОГО РАСХОДА) з 1 2 3 4 sal та* 12,5 6,25 6,25 18,75 12,5 8,12 8,12 15,65 5 6 7. 8 6,25 6,25 6,25 37,5 8,12 8,12 8,12 31,25 где П\ и Пч — число работающих в сутки в цехах при нормах водоотведения соответственно 25 и 45 л на одного человека (холодные и горячие цехи); п2 и »4 — максимальное число работающих в смену при тех же нормах водоотведения; Ki и Ki — коэффициенты часовой неравномерности, соответствующие тем же нормам водоотведения и равиые 3 н 2,5. Пример распределения расходов сточных вод от бытовых помещений по часам суток в зависимости от коэффициента часовой неравномерности приведен в табл. 1.2. Расходы сточных вод от душевых установок в бытовых помещениях промышленных предприятий вычисляют в зависимости от числа душевых сеток тл, которое определяется в зависимости от характера производственного процесса, санитарной его характеристики, числа работающих (пользующихся душем) в наиболее многочисленную смену и расчетного количества человек на I душевую сетку. Число рабочих, пользующихся душем, зависит от санитарных условий технологического процесса производства и может устанавливаться в процентах от общего числа работающих на производстве. Ориентировочно число рабочих, пользующихся душем для текстильной промышленности, составляет 10 %, машиностроительной — 25 %, металлургической, металлообрабатывающей, химической, целлюлозно-бумажной— 40%.пищевой, кожевенной, строительных материалов —75 % и т. д. Расчетное число людей на 1 душевую сетку зависит ,от категории производства и составляет: для мартеновских, прокатных, термических, кузнечных, литейных, огнеупорных, нефтехимических, вискозных, хлорных, фенольных цехов — 3 чел.; для пищевых, фармацевтических, металлообрабатывающих, хлопчатобумажных, красильных, стекольных, моечных цехов — 5 чел.; для прядильных, ткацких, текстильных, су- шальных цехов — 7 чел.; для механосборочных, инструментальных, деревообрабатывающих — 15 чел. и т. д. Расход воды на 1 душевую сетку составляет 500 л/ч при коэффициенте неравномерности /Сч= 1- Расход душевых вод принимается в первый час последующей смены в объеме 100 % сменного расхода предыдущей смены, при этом продолжительность пользования душем равна 45 мин. Расчетные расходы душевых сточных вод определяются по следующим формулам: A.7) A.8) 1000-60 . = 500т„/3600 = 0,139т, где <Эмакссм —расход душевых вод в смену с максимальным числом рабочих, мэ/ч; Омане с — максимальный расход душевых вод, л/с. Суточный расход душевых вод зависит от расходов воды по сменам, а также от числа смен. На промышленных предприятиях определяются также расходы сточных вод от столовых, прачечных и др. Расчетные расходы дождевых вод определяются в зависимости от местных условий — географического местонахождения промышленного предприятия, рельефа местности и* степени^благоустройства территории.
Дождевые воды с территории промышленного предприятия отводятся самостоятельной сетью или совместно с производственными сточными водами. Режим водоотведения. При проектировании канализационных сетей и сооружений необходимо знать не только суточное количество сточных вод, но и режим их поступления по часам суток,, иначе говоря, часовой график притока сточных вод. Производственные сточные воды в течение смены могут поступать равномерно и неравномерно. На ряде производств химической, легкой, текстильной, фармацевтической, пищевой и других отраслей промышленности происходят залповые поступления высококонцентрированных и высокотоксичных сточных вод, при этом периодичность сброса может быть 1 раз в смену, в сутки, в неделю. Режим спуска производственных сточных вод целиком определяется регламентом технологического процесса производства отдельных цехов и промышленного предприятия в целом. Расчет лотков и труб для отвода сточных вод от отдельных аппаратов и их групп производится по максимальному секундному расходу. Цеховые лотки и трубопроводы, а также наружные коллекторы от отдельных цехов или заводских корпусов рассчитывают по максимальному часовому расходу от цеха или по сумме максимальных часовых расходов от отдельных цехов, если их в корпусе несколько; общезаводские и внеплощадочные лотки и коллекторы — по совмещенному графику часовых расходов от нескольких цехов или корпусов. В большинстве случаев наблюдается несовпадение максимальных часовых расходов и уменьшение общего коэффициента часовой неравномерности водоотведения. Специфика технологии различных производств требует в ряде случаев учитывать режим притока сточных вод не только в течение суток, но и по месяцам или сезонам года (спиртово-крахмальные, сахарные, консервные, первичного виноделия и другие заводы). Коэффициенты часовой неравномерности общего стока для различных отраслей промышленности, по данным ВНИИ ВОДГЕО, равны: для предприятий металлургической промышленности 1—1,1; химической 1,3—1,5; пищевой 1,5—2; целлюлозно-бумажной 1,3—1,8 и т. д. Для промышленных предприятий, кроме режима водоотведения сточных вод по часам суток, следует учитывать графики суточного колебания состава этих вод по основным физико-химическим показателям, а также по специфическим загрязняющим, компонентам (поверхностно- активным, токсичным, ядовитым и радиоактивным веществам). На рис. 1.1 показаны колебания отдельных физико-химических показателей сточных вод производства гигроскопической ваты. Следует отметить, что получить какую-либо закономерность между графиком колебания расхода и состава производственных сточных вод можно далеко не для всех технологических процессов. .1-3350 Часы суток Рис. 1.1. Колебания показателей качества сточных вод производства гигроскопической ваты /-активная реакция pH; 2 - окисляемость; 3-цветность по разбавлению 9
§ 2. СХЕМЫ ВОДООБЕСПЕЧЕНИЯ И ВОДООТВЕДЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ " Согласно требованиям «Основ водного законодательства Союза ССР и союзных республик», система водообеспечения промышленных предприятий должна быть, как правило, с оборотом воды для всего предприятия или в виде замкнуты^ циклов для отдельных цехов; при этом необходимо предусматривать очистку отработанной воды. Последовательная или прямоточная система подачи воды на производственные нужды со сбросом очищенных сточных вод в водоем допускается только при невозможности или нецелесообразности применения системы обо- poTHorq водоснабжения. При'прямоточном водообеспечении (рис. 1.2, а) вся забираемая из водоема вода QHcT после участия в технологическом процессе (в виде отработанной) возвращается в водоем, за исключением того количества воды, которое безвозвратно расходуется в производстве QnoT. Количество отводимых в водоем сточных вод Qc6P составляет: <?сбр = <3ист-<?пот- A-9) Сточные воды в зависимости от вида загрязнений и других условий перед сбросом в водоем должны проходить через очистные сооружения. В этом случае количество сбрасываемых в водоем сточных вод уменьшается, поскольку часть воды отводится со шламом. Рис. 1.2. Схемы водообеспечения промышленных предприятий / — вода свежая чистая, ненагретая; 2 — сточная вода, нагретая; 3 — то же, нагретая и загрязненная; 4 — то же, очищенная; ПП, ПП-1 и ПП-2 — промышленные предприятия; ОС — очистные сооружения; <3ИСТ— вода, подаваемая из источника на производственные нужды; <3П0Т. "пот. і и QB0T j —вода, безвозвратно потребляемая на промышленных предприятиях; <3ШП —вода, удаляемая со шлаком; Q сбр — вода, сбрасываемая в водоем Jin«» ft Jt«*t -/; 2\ —y—5; —¦ «; Рис. І-.3.- Схемы оборотного водоснабжения промышленных предприятий а — с охлаждением сточных вод; б — с очисткой сточных вод; в — с очисткой и охлаждением сточных вод; / — вода свежая, чистая, иенагретая; 2 — сточная вода, нагретая; 3 — то же, ненагретая и загрязненная; 4 — то же, очищенная; 5 — сточная ¦ вода, загрязненная; 6 — оборотная вода; ОУ — охладительные установки; Q — вода, подаваемая на производственные нужды; Qog —оборотная вода;' <3ТН —вода, теряемая на испарение и уносиз охладительных установок. Остальные обозначения те же, что и на рис. 1.2
При схеме водообеспечения с последовательным использованием воды (рис. 1.2, б), которое может быть двух-трехкратным, количество сбрасываемых сточных вод уменьшается в соответствии с потерями на всех производствах и на очистных сооружениях, т. е. Qoflp = <Эист — Юпот.і + QnoT.2 + <Эшл) • 0-105 Повторное использование сточных вод после соответствующей их очистки получило в настоящее время широкое распространение. В ряде отраслей промышленности (черной металлургии, нефтеперерабатывающей) 90—95 % сточных вод используется в системах оборотного водоснабжения и лишь 5—10 % сбрасывается в водоем. Если в системе оборотного водоснабжения промышленного предприятия вода является теплоносителем и в процессе использования лишь нагревается, то перед повторным применением ее предварительно охлаждают в пруду, брызгальном бассейне, градирне (рис. 1.3, а); если вода служит средой, поглощающей и транспортирующей механические и растворенные примеси, и в процессе использования загрязняется ими, то перед повторным применением сточная вода проходит обработку, на очистных сооружениях (рис. 1.3, б); при комплексном использовании сточные воды перед повторным применением подвергаются очистке и охлаждению (рис. 1.3, в). При таких системах оборотного водоснабжения для компенсации безвозвратных потерь воды в производстве, на охладительных установках (испарение с поверхности, унос ветром, разбрызгивание), на очистных сооружениях, а также потерь воды, сбрасываемой в канализацию, осуществляется подпитка из водоемов и других источников водоснабжения. Количество подпиточной воды определяется по формуле <Эист = <Эпот + <Эун + <Эшл + <Эсбр • 0 • И) Подпитка систем оборотного водоснабжения может осуществляться постоянно и периодически. Общее количество добавляемой воды составляет 5—10 % общего количества воды, циркулирующей в системе. Следует отметить, что приведенные выше схемы прямоточного и оборотного водоснабжения промышленных предприятий (см. рис. 1.2 и 1.3)' носят общий характер. В практике часто встречаются комбинированные системы водоснабжения и водоотведения с различными схемами в зависимости от специфики производства, местных условий, напряженности водного баланса и др. Эффективность использования воды на промышленных предприятиях оценивается тремя показателями. 1. Техническое совершенство системы водоснабжения оценивается количеством использованной оборотной воды Роб, %: 4-П 10°' (М2) hct + Qo где Qoe, Qhct и Qc — количество воды, используемой соответственно в обороте, забираемой из источника и поступающей в систему водоснабжения с сырьем. 2. Рациональность использования воды, забираемой из источника, оценивается коэффициентом использования Кис: „ ФиСТ + Qc — Qc6P , /1 1Э\ *= <l A13) 3. Потери воды, %, определяются по формуле р _ Qbct + Qc — Qccp .nn .. ,.t ^Ш>Т=7 і П _L П і n IUU» A.147 Qhct + Qo + Qnoon + Qo6 где Qnocn —количество воды, используемой в производстве последовательно. Для систем водообеспечеиия промышленных предприятий рекомендуется составлять баланс воды, включающий потери на сбросы и необходимое добавление компенсирующих расходов воды в систему. Поступ- п
Рис. 1.4. Балансовая схема водопотреблеиия и водоотведення завода вискозного штапельного волокна производительностью 120 т/сут (расходы воды указаны в м3/сут) /> — свежая вода; Ф — фильтрованная вода; У — умягченная вод»; О — охлаждающая вода (до 25 С); 00 — отработанная охлаждающая вода; ОИ — искусственно охлажденная вода (до 4°С); ООН — отработанная, искусственно охлажденная вода; С— сточные воды ление воды в систему осуществляется не только из источников водоснабжения и после повторного ее использования, но также с исходным сырьем и полуфабрикатами, со вспомогательными веществами (топливо, реагенты и т. п.), с атмосферными осадками (дождь, растаявший снег), в виде шахтного или рудничного водоотлива, а также подземной (дренажной), инфильтрационной воды и др. Общий дефицит воды в системах1 водообеспечения складывается из расходов на безвозвратное потребление (унос с продуктом и отходами), мойку полов, полив проездов и насаждений, испарение в охладителях оборотной воды, унос с воздухом в виде капель из охладителей оборотной воды, естественное испарение с в_ідной поверхности, транспирацию растительностью в водоемах, фильтрацию из системы в почву, сброс оборотной воды в водоемы при ухудшении ее качества (продувка), сброс сточных вод в водоем. Безвозвратное потребление и потерн воды в производстве складываются из количеств уносимой с продуктом и с отходами воды, определяемых технологическим расчетом. Расход воды на мойку полов, полив проездов и насаждений, а также потери воды на испарение и унос при ее охлаждении в градирнях, брызгальных бассейнах, прудах-охладителях и на испарение в естественных водоемах, принимающих нагретую воду, определяются по СНиП П-31-74. Потери воды на испарение с водной поверхности естественных водоемов, а также иа транспирацию воды растительностью следует определять по инструкции «Указания по расчету испарения с водной поверхности водоемовэ (М., Гидрометеоиздат, 1969). Потери воды на фильтрацию из таких сооружений, как наливной (искусственный) пруд-охладитель или пруд-осветлитель (шламонакопи- тель)', применяемых при использовании воды для охлаждения или обогащения ископаемых, определяют специальным расчетом. Для соблюдения водного баланса в системе водообеспечения все виды потерь компенсируют эквивалентным количеством добавляемой воды. 12
JSu__ 381— ¦ 724— —ш; Рис. 1.5. Балансовая схема водопотреблення и водоотведения завода по производству медицинских препаратов (расходы воды указаны в м3/ч) / — хозяйственно-производственный водопровод; //, /// — производственные водопроводы с температурой воды соответственно 12 и 22°С; IV — трубопровод оборотной воды t—35°C; V —бытовая канализация; VI, VII — канализации производственных соответственно загрязненных н незагрязненных сточных вод; 1 — артезианские скважины; 2, 7, 13 — камеры задвижек; 3, 8 — резервуары; 4. 9— насосные станции II подъема; 5 — водонапорная башня; 6 — артезианские скважины пронз» водственного водопроводе; 10 — градирня; It — насосная станции оборотной воды; 12 — резервуар охлажденной воды; 14 — резервуары теплей воды; IS — производственные корпуса Для расчета систем водоснабжения и водоотведения необходимо составлять графики притока сточных вод, а также графические схемы водного баланса по каждому потребителю воды на территории промышленного предприятия. В этих балансовых схемах указывается количество воды, подаваемой каждому потребителю (аппарату, цеху, корпусу), сбрасываемой каждым потребителем, теряемой безвозвратно в производстве, на охладительных установках, очистных сооружениях и т. д. В схемах, кроме того, указывается: направление движения воды; виды водоподводящих и водоотводящих коммуникаций или категории транспортируемой по коммуникациям воды; расположение потребителей воды, сооружений по ее охлаждению, очистке и т. д. Такие схемы составляются либо в абсолютных количествах циркулирующих вод за единицу времени (м3/сут, м3/ч), либо в удельных расходах воды на единицу продукции или потребляемого сырья (м3/т). На рис. 1.4 и 1.5 в качестве примеров приведены балансовые схемы водопотребления и водоотведения, дающие наглядное представление о состоянии водного хозяйства промышленного предприятия. В ряде случаев составляются также балансовые схемы поступления в канализацию загрязнений от отдельных аппаратов и цехов. Эти поступления могут характеризоваться величинами ВПК, ХПК, содержанием в воде взвешенных веществ или отдельных токсичных компонентов. § 3. ОСОБЕННОСТИ КАНАЛИЗОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ При проектировании и эксплуатации систем канализации промышленных предприятий различают внутриплощадочную и внеплощадочиую канализацию. К первой относится размещаемый на территории про« 1?
мышленной площадки комплекс канализационных сетей, сооружений, насосных станций и локальных установок по очистке цеховых сточных вод. Канализационные сети и коллекторы, сооружения, насосные станции и очистные сооружения, расположенные за территорией промышленной площадки, относятся к внеплощадочной канализации. Если производственные сточные воды направляются в канализационную сеть или непосредственно на очистные сооружения населенного пункта (города), то внеплощадочная канализация ограничивается системой сетей, коллекторов и сооружений, обеспечивающей присоединение коллекторов промышленного предприятия к канализационной сети населенного пункта или к комплексу объединенных очистных сооружений. Проектирование вновь строящихся и реконструируемых систем наружной канализации населенных пунктов и промышленных предприятий должно осуществляться на основе утвержденных в установленном порядке схем развития и размещения отрасли народного хозяйства, отраслей промышленности и схем развития, размещения производительных сил по экономическим районам и союзным республикам. При решении систем и схем канализации должна учитываться техническая, экономическая и, санитарная оценка существующих сооружений, предусматриваться возможность интенсификации их работы. Очистные сооружения канализации промышленных предприятий должны, как правило, размещаться на территории канализуемых предприятий. При выборе системы и схемы канализации промышленных предприятии необходимо учитывать: 1) требования к качеству воды, используемой в различных технологических процессах, и нх количество; 2) количество, состав и свойства сточных вод отдельных производственных цехов и предприятия в целом, а также режимы водоот- ведения; 3) возможность сокращения количества загрязненных производственных сточных вод предприятия путем рационализации технологических процессов; 4) возможность повторного использования производственных сточных вод в системе оборотного водоснабжения или для технологических нужд другого производства, где допустимо применять воду более низкого качества; 5) целесообразность извлечения и использова-ния ценных веществ, содержащихся в сточных водах; 6) возможность разделения производственных сточных вод для повторного использования незагрязненных в производстве и обработки загрязненных сточных вод; 7) возможность и целесообразность совместного канализования нескольких близко расположенных промышленных предприятий, а также возможность комплексного решения канализования промышленного предприятия и населенного пункта; 8) возможность использования в технологическом процессе очищенных бытовых сточных вод; 9) возможность и целесообразность использования производственных сточных вод для орошения сельскохозяйственных и технических культур; 10)' целесообразность локальной очистки сточных вод отдельных производств и цехов; 11) самоочищающую способность водоема, условия спуска производственных сточных вод в него и необходимую степень очистки этих вод по лимитирующим показателям; 12) целесообразность применения каждого метода очистки. При вариантном проектировании систем канализации, промышленного предприятия иа основании технико-экономических показателей принимается оптимальный вариант. 14
Канализование промышленных предприятий, как правило, осуществляется по полной раздельной системе. Производственные сточные воды в зависимости от вида загрязняющих веществ и их концентрации, а также от количества сточных вод и мест их образования отводятся несколькими самостоятельными потоками: слабозагрязненные, содержащие один или несколько видов загрязнений; содержащие токсичные и ядовитые вещества; кислые; щелочные; сильноминерализованные; содержащие масла и жиры, волокно, ПАВ и т. д. Незагрязненные сточные воды, как правило, объединяют в отдельный поток. Бытовые сточные воды, образующиеся на промышленном предприятии, отводятся и очищаются отдельно, если производственные сточные воды по своему составу не требуют биологической очистки. Совместное отведение бытовых и производственных сточных вод целесообразно, если последние загрязнены органическими веществами, деструкция которых возможна биологическим путем; при этом концентрация токсичных примесей не должна превышать предельно допустимую. ¦ Дождевые воды, стекающие с незагрязненных территорий промышленного предприятия, отводятся отдельной системой канализации или объединяются с незагрязненными производственными сточными водами и спускаются в водоем без очистки. Дождевые воды, стекающие с площадок для складирования сырья, жидкого и твердого топлива, масел, красителей и т. п., отводятся вместе с загрязненными производственными сточными водами и подлежат совместной очистке перед выпуском в водоем. Целесообразность разделения или объединения отдельных потоков сточных вод при проектировании систем канализации промышленного предприятия является одним из наиболее актуальных вопросов, от правильного решения которого зависят сметная стоимость строительства и затраты на эксплуатацию очистных сооружений, надежность . охраны водоемов от загрязнения и рентабельность основного производства. Для некоторых предприятий при технико-экономическом обосновании может быть запроектирована общесплавная канализация (например, при расположении предприятия в городе и наличии городской общесплавной канализации, рис. 1.6,а). На предприятиях, где производственные сточные воды по своему составу близки к бытовым (например, предприятия пищевой промышленности), отвод сточных вод можно осуществлять по двум сетям: производственно-бытовой и дождевой. В дождевую сеть могут сбрасываться и незагрязненные производственные сточные воды (рис. 1.6, б). В большинстве случаев производственные сточные воды очищать совместно с бытовыми нельзя. Так, сточные воды фабрик ПОШ содержат значительные концентрации шерстяного жира и волокна; сточные воды гальванических цехов — хром и цианиды; сточные воды производства кислот имеют рН<2ч-3 и т. д. В этом случае следует устраивать локальные прицеховые очистные сооружения: жи- роловушки, маслоуловители, бензоуловители, нефтеловушки, смолоот- стойники, волокноуловители, нейтрализаторы, установки по обезвреживанию сточных вод от хрома и цианидов и т. д. (рис. 1.6, в). После локальной очистки сточные воды могут объединяться и очищаться совместно. Разделение производственных сточных вод может быть продиктовано санитарными причинами, пожаро- и взрывоопасностью, возможностью зарастания и разрушения канализационных трубопроводов и т. д. Например, объединение кислых сточных вод с сульфидными приводит к выделению сернистого газа; со сточными водами, содержащими цианиды, — к образованию ядовитой синильной кислоты (в виде газа); с вискозными — к образованию сероуглерода. Если объединить сточные воды, содержащие серную кислоту, со сточными водами, содержащими известь, то образуется сульфат кальция, который выпадает в осадок, что 16
Рис. 1.6. Схемы канализации промышленных предприятий а — общесплавной, системы; б — раздельной системы с дождевой и производственно-бытовой сетями; в —то же и локальными очистными сооружениями; г—раздельной системы с дождевой, бытовой и производственными сетями, локальными очистными сооружениями и частичным водообо- ротом; д — то же и полным оборотом производственных сточных вод; г —раздельной системы бессточной канализации; /—дождевые воды; 2 — бытовые сточные воды; 3 — производственные сточные воды; 4 — очистные сооружения; 5 —выпуск в водоем; 6 — сеть бытовых и загрязненных производственных сточных вод; 7 — сеть незагрязненных ироизводствеииых сточных вод; 8 — сеть дождевых вод; 9 — локальные очистные сооружения; 10 — сооружения по охлаждению незагрязненных сточных вод; //, 12—сеть оборотного водоснабжения соответственно после локальной очистки загрязненных и незагрязненных (после охлаждения) производственных сточных вод; 13, 14 — сеть оборотного водоснабжения после очистки соответственно загрязяенных производственных ц бытовых сточных воя приводит к зарастанию труб. Объединение сточных вод, насыщенных сероуглеродом, со сточными водами, млеющими температуру выше 40 °С, может привести к взрыву и т. д. Не всегда целесообразно совместное отведение даже сточных вод одинакового состава, но различных по концентрации в них загрязняющих веществ. Если эти вещества представляют собой товарную ценность, то экономичнее извлекать их из наиболее концентрированных сточных вод и уже потом смешивать слабоконцентрированные сточные воды для их последующей очистки. Такой прием применим при использовании крепких щелоков сульфатцеллюлозного производства, при утилизации шерстного жира из промывных вод после I и II барок моечной машины, при получении медного и железного купороса из травильных растворов цехов металлообработки и т. д. Раздельная очистка сточных вод предпочтительна и в том случае, если в каких-либо сточных водах загрязняющее вещество легко удаляется из воды. Например, в некоторых кислых сточных водах содержится сероводород, который весьма эффективно удаляется с помощью отдувки и последующего поглощения его щелочью. Если же такие сточные воды с целью нейтрализации смешать с каким-либо щелочным стоком, то в этом случае сероводород связывается в сульфиды или гипосульфиды, что осложняет последующую очистку. При ионообменном способе очистки слабоконцентрированные сточные воды нельзя смешивать с сильноминерализованными, поскольку это приводит к сокращению рабочего цикла фильтров и увеличению объема регенерационных растворов. Нецелесообразно также объединение сточных вод, содержащих значительное количество механических примесей минерального происхождения, а также нефть и масло, с бытовыми сточными водами. Такое объединение усложняет технологию очистки, препятствует возможности повторного использования нроизводственных сточных вод и извлечению из них ценных примесей. Поэтому на большинстве промышленных пред-
приятии (металлургических, химических, нефтеперерабатывающих, целлюлозно-бумажных, пищевых) канализация проектируется по полной раздельной системе (рис. 1.6, г) с устройством производственных, бытовых и дождевых сетей. По этой схеме производственные и бытовые сточные воды очищаются раздельно, а дождевые отводятся в водоем. Незагрязненные производственные сточные воды могут проходить очистку (охлаждение) и частично или полностью использоваться в системе оборотного водоснабжения. В эту систему могут также частично поступать и загрязненные производственные сточные воды после их предварительной очистки на локальных очистных сооружениях. В соответствии с основными направлениями научно-технического прогресса в области очистки производственных сточных вод ведущее место занимает вопрос повышения процента вод, находящихся в системе оборотного водоснабжения, с целью дальнейшего полного перехода на малоотходные и бессточные системы канализации (рис. 1.6, д, в). При разработке таких систем практически все производственные загрязненные и незагрязненные сточные воды находятся в системе оборотного водоснабжения. Естественно, технология очистки усложняется, она становится многоступенчатой. В бессточных системах водоснабжения и водоотведения промышленных предприятий в оборот включаются также и бытовые сточные воды после соответствующей очистки и доочистки, а в водоем спускаются лишь дождевые. На рис. 1.7 приведена схема оборотного водоснабжения и водоотведения транспортерно-моечных вод картофелеперерабатывающих предприятий. Количество воды на 1 т перерабатываемого картофеля составляет 1—3 м3. Транспортирующие воды должны быть очищены от взвешенных веществ до остаточной загрязненности, не усугубляющей загрязненности картофеля, который поступает в моечные машины. Поскольку с осадком (камни, песок, земля и т. д.) из системы оборотного водоснабжения удаляется циркулирующая вода, то для подпитки используются отработанные воды от последующего крахмального производства. На разных предприятиях применяются различные методы очистки сточных вод. На нефтехимических комбинатах (при производстве синтетического спирта, фенола, ацетона, синтетических жирных кислот, каучука и др.) основными местами образования загрязненных сточных вод являются цехи пиролиза углеводородов, гидратации этилена и ректификации спирта. Сточные воды цеха пиролиза углеводородов содержат этилен, пропилен, бутан, изобутан, бензол, толуол, ксилол, нафталин. В сточных водах цеха гидратации этилена и ректификации спирта присутствуют спирты, ацетальдегид, продукты полимеризации, смола. При применении биологических методов очистки содержание органических веществ (бензола, толуола, ксилола, нафталина'и др.) в сточных водах значительно снижается. На заводах синтетического каучука в сточные воды попадают полимеры, смолы, масла, ацетилен, винилацетат, ацетальдегид, акрилонит- рил, бутадиен и др. Методами биологической очистки достаточно полно могут быть окислены этиловый спирт и карбоновые кислоты, хуже — ароматические углеводороды. Весьма устойчивы к окислению диметил- и триметилформамид. В этом случае применяется комплексная очистка, включая и утилизацию, физико-химическим ( сорбция, дистилляция, ионный обмен) и биологическим методами. Сточные воды предприятий органического синтеза, содержащие бензол, толуол, пиридин, нейлон и другие, подвергаются механическим и физико-химическим методам очистки. При очистке сточных вод производства капролактама от нитроциклагексанона может быть применено мокрое сжигание. Сточные воды, содержащие трудноокисляемые примеси, проходят двух- и трехступенчатую биологическую очистку. Для очистки сточ!рвЯИ&»«$~»»1Мии*,'!%[итробензола1 нитротолуола, нитрофе- »7
Ряс. 1.7. Схема оборотного водоснабжения и водоотведения транспортерно-моечных вод картофелеперерабатывающих предприятий / — моечная машина; 2 — песколовки; 3 — ковшовый элеватор; 4 — водоотделитель 5 — гядроло- ток; « — гидроциклон; 7 — площадка для песка и ила-, 8 — дреиы; 9 — коллектор; /0 —камнело- вушка; // — водосборник -ж- г ¦5 ¦5 ¦5 ¦6 Рис. 1.8. Принципиальная схема очистных сооружений группы промышленных предпряя- тин города I — здание решеток и насосной станции; // — песколовки; ///. VI, VIII — соотаетствеино первичные, вторичные и третичные отстойники; IV — смесители; V, VII — аэротенкн соответственно I и II ступени; IX — хлораторная; X — рассеивающий выпуск; XI — усреднители. Потоки: / — городские сточные воды; 2 — сточные воды завода синтетического каучука; 3 — То же, нефтеперерабатывающего комбината; 4 — то же, завода пластмасс и изоляционных материалов; 5 — смесь сточных вод рредприитий и города; 6 — то же. сточных вод завода синтетического каучука и города; 7 — очищенные сточные воды; « — хлорная вода; 3 —очищенные и обеззараженные сточные воды нола, хлорбензола, альдегидов, кетонов применяются сорбционные методы очистки. При производстве этилена и пропилена содержащиеся в сточных водах смолы, сажа и ароматические углеводороды могут быть экстрагированы бензином, в результате чего концентрация эфирораст- воримых веществ снижается в 30 раз. В ряде случаев после полной биологической очистки для снижения цветности и разрушения трудноокисляемых компонентов применяются следующие методы глубокой очистки: коагулирование, фильтрование, ионный обмен, озонирование и др. Таким образом, для удаления из сточных вод органических веществ наиболее универсальным методом является биологическая очистка в аэротенках или на биофильтрах как самостоятельный метод, а также в 18
сочетании с другими методами предварительном очистки и доочистки. Для удаления трудноокисляемых биологическим путем органических веществ, а также неорганических применяются механические, химические и физико-химические методы очистки. Применение тех или иных методов .осуществляется на основании экспериментальных-исследований реальных сточных вод или при их отсутствии имитата, составленного на основании технологического регламента производства. Как правило, производственные сточные воды перед очистными сооружениями должны быть максимально утилизированы. Приведенная табл. 1.3 позволяет облегчить выбор метода обезвреживания производственных'сточных вод в зависимости от их состава и концентрации загрязняющих веществ. / ТАБЛИЦА 1.3. РЕКОМЕНДУЕМЫЕ МЕТОДЫ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД Концентрация загрязняющих веществ, мг/л Методы очистки сточных вод. содержащих вещества преимущественно органические с температурой кипения. °С <120 120—250 S>250 преиму ществ енно неорганические 1—500 500—5000 Биологический, .химический, сорб- циоииый Химический (озонирование, хлорирование), сорбцн- онный, жидкофаз- ное окисление с биологической до- очисткой, сжигание в печах Химический, сорбционный, экстракционный, жидко- фаэиое окисление с биологической до- очисткой, сжигание в печах Химический, сорбционный Сорбционный, жидкофазное окисление с биологической доочисткой, сжигание в печах Механический, химический, сорб- циоиный Механический, сорбционный, выпаривание 5000—30000 >30000 Химический, экстракционный, жидкофазное окисление с биологической доочисткой, сжигание в печах Экстракционный, жидкофаэиое окисление с различными методами доочистки, сжигание в печах Механический, выпаривание, сброс в море, захоронение в земле, сушка в кипящем слое То же Схемы водоснабжения и канализации промышленных предприятнй и населенных пунктов в целях достижения наиболее экономичных и комплексных решений разрабатываются, как правило, одновременно на основании проекта районной планировки и застройки по единому генеральному плану. В случае расположения промышленного предприятия или группы промышленных предприятий в городской черте либо в непосредственной близости от жилого массива, имеющего централизованную канализацию, необходимо в первую очередь рассматривать вопрос о совместном отведении и очистке производственных и городских сточных вод. При невозможности совместной очистки следует предварительно обрабатывать производственные сточные воды либо на очистных сооружениях, расположенных на территории предприятия, либо на общих очистных сооружениях. Совместная очистка этих сточных вод, как правило, экономически целесообразна, а с санитарной точки зрения более надежна. При значительном удалении объектов канализования друг от друга вопрос о целесообразности совместной или раздельной очистки сточных вод этих объектов решается путем технико-экономнческого сравнения вариантов централизованной и децентрализованной схем канализации. На рис. 1.8 приведен пример очистных сооружений централизованной схемы канализации города и группы промышленных предприятий. На 19
a) fg..2 J 91W I Л Щ 200 5 Л7 «7200^ 1 Рис 1 9 Схемы баланса потребления воды и использования сточных вод (расходы ' ' ' даны в М3/сут) Рис 1 10 Комплексная схема очистки, использования и ликвидации сточных вод хи- ' ' мического комбината объединенные очистные сооружения поступает 415 тыс. м3/сут городских и 150 тыс м3/сут высококонцентрированных сточных вод от нефтеперерабатывающего комбината, заводов синтетического каучука, пластмасс и изоляционных материалов. Совместная полная биологическая очистка производственных и городских сточных вод в двухступенчатых аэротенках-смесителях позволила снизить стоимость строительства и уменьшить годовые эксплуатационные затраты. На рнс. 1.9 приведены комплексные технологические схемы водообес- печения и водоотведения химического комбината н города. При разработке схемы, приведенной на рис. 1.9, б, было запроектировано пять различных канализационных сетей с целью разделения и отведения сточных вод, которые могут быть использованы в производственном водообороте (сточные воды с органическими загрязнениями, еяабо-« сильномянерализованные, незагрязненные, дождевые, бытовые).
В каждом производстве были разработаны самостоятельные (локальные и кустовые) водооборотные системы с устройством необходимых установок. Предусмотрены установки по опреснению сильноминерализованных сточных вод, получению товарной продукции при утилизации отходов, глубокой очистке биологически очищенных сточных вод, а также общекомбинатские сооружения по совместной биологической очистке сточных вод комбината и города. Кратность повторного использования воды в промышленном водообороте составляет 150. Путем внедрения этой комплексной схемы потребление химическим комбинатом (рис. 1.10) свежей воды уменьшилось в 33 раза, а его суммарный сток на биологические очистные сооружения сократился почти в 17 раз. Все сточные воды, образующиеся на территории промышленного предприятия, транспортируются по системе труб и каналов. Выбор системы транспортирования и схемы канализования зависит от количества, состава и свойств сточных вод, а также от местных условий. Наибольшее распространение получила закрытая канализационная сеть. Сточные воды, опасные в санитарном отношении, а также содержащие взрыво- и пожароопасные примеси, транспортируются только по закрытой сети трубопроводов. Предприятия чаще канализуются по централизованной схеме, однако при определенных условиях возможно применение и децентрализованной схемы. § 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД И ИЗВЛЕЧЕНИЕ ИЗ НИХ ЦЕННЫХ ВЕЩЕСТВ При снижении расходов сточные воды, поступающие на очистные сооружения, практически всегда имеют повышенное количество загрязнений, поскольку при неизменном технологическом процессе общее их количество в сточных водах остается постоянным. Это обстоятельство может осложнить работу очистных сооружений, особенно при биологическом методе очистки сточных вод. Для уменьшения концентрации загрязнений целесообразно предусматривать частичное удаление их на локальных очистных установках, а также возможность последующей утилизации. При строительстве новых и реконструкции действующих промышленных предприятий большое значение имеет внедрение новых технологических процессов и разработка систем оборотного водоснабжения вместо прямоточных. Так, например, при прямоточной системе для выработки 1 т высококачественной целлюлозы требуется 350—400 мэ воды, а при оборотной — 150—200 м3. Наиболее широко применяются системы оборотного водоснабжения при наличии сточных вод, имеющих лишь термальные загрязнения. В этом случае эти воды проходят через охладительные сооружения (градирни, брызгальные бассейны, пруды) и вновь подаются в производство. В процессе мокрого обогащения руд и при гидрозолоудалении воды загрязняются, и перед повторным использованием их следует отстаивать. За последнее время оборотное водоснабжение внедрено практически во всех охлаждающих системах. Опыт эксплуатации таких систем показывает, что повторное использование отработанных вод более экономично, чем освоение новых источников водоснабжения. Большое значение имеет также научное обоснование норм расхода воды на единицу готовой продукции или используемого сырья. Значительная экономия воды и снижение потерь ценных продуктов достигаются в результате замены водяного охлаждения воздушным. Применение аппаратов воздушного охлаждения на нефтеперерабатывающих заводах позволяет уменьшить расход воды для производственных целей в 3—5 раз. На металлургических предприятиях сокращение водопотребления 21
возможно при замене парового привода в кислородных и паровоздушных станциях электрическим, а также при замене в газоочистках доменного и сталеплавильного цехов водяной очистки на воздушную. Целесообразно применение воздушного охлаждения и на предприятиях химической промышленности в производствах капролактама, аммиака и т.д. Для сокращения водопотребления на металлургических заводах и предприятиях цветной металлургии весьма перспективным является применение испарительного охлаждения. Годовой экономический эффект от внедрения такой системы составляет ПО—200 тыс. руб. на одну доменную печь. Следует также учитывать, что количество пара, отходящего от установок испарительного охлаждения, вполне достаточно для нужд технологического процесса, а также отопления, вентиляции и горячего водоснабжения предприятия. Применение аппаратов воздушного охлаждения сводит к минимуму потребность в охлаждающей воде. Кроме того, аппараты с воздушным охлаждением надежнее аппаратов с водяным охлаждением. Одним из путей утилизации производственных сточных вод является использование их в сельском хозяйстве для нужд орошения. Естественно, сточные воды, имеющие преимущественно минеральные загрязнения, применять для орошения нецелесообразно, поскольку удобрительная ценность их невелика, а содержание в них токсичных веществ или солей отрицательно влияет на жизнедеятельность почвенной микрофлоры. Кроме того, эти вещества разрушают структуру почв. Сточные воды, содержащие органические вещества, могут быть использованы для орошения самостоятельно, а также вместе с бытовыми сточными водами после предварительной механической очистки. Наиболее пригодными для орошения являются сточные воды некоторых производств пищевой (табл. 1.4), химической и легкой промышленности. Целесообразно применение в целях орошения сточных вод предприятий по производству минеральных удобрений, азотной кислоты и т. д. ТАБЛИЦА 1.4. СОДЕРЖАНИЕ УДОБРИТЕЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ В СТОЧНЫХ ВОДАХ ПРЕДПРИЯТИИ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ Предприятия Сахарные заводы Молочные » Крахмальные заводы Скотобойни и мясокомбинаты Удобрительные г азот об щий 30 36 265 290 на 1 ма оксид калия 50 23 486 142 вещества, воды фосфор ный ангидрид 10 18 93 102 известь 170 40 76 160 Предприятия Дрожжевые заводы Плодоовощные фабрики Удобрительные вещества, * а §§ 254 23 г на 1 оксид калия 480 129 м* воды фосфор иый ангидрид 100 25 известь — Сточные воды, опасные в санитарном отношении '(например, от кожевенных заводов), применять для орошения запрещается. Воды с высокой концентрацией органических загрязнений от дрожжевых и крахмальных заводов перед использованием необходимо разбавлять, а от ликеро-водочных и спиртовых заводов — обрабатывать известью. Нормы орошения зависят от многих факторов — концентрации сточных вод, вида выращиваемых культур, климатических условий, типа почв. Использование производственных сточных вод на полях орошения должно быть согласовано с органами Государственного санитарного надзора. Основным требованием к предназначенным для орошения про- изводстзенным сточным водам является исключение возможности вредного их воздействия на почву, подземные воды, выращиваемые культуры, а также на здоровье людей. 22
Весьма перспективны для орошения сельскохозяйственных культур сточные воды крахмальных заводов, которые могут быть использованы во всех почвенно-климатических зонах; при этом наибольшей удобрительной ценностью обладают сточные воды производства картофельного крахмала. За счет высокого содержания элементов питания в этих водах повышается плодородие почв и урожай сельскохозяйственных культур (урожай кукурузы и многолетних трав при орошении повышается в 2—3 раза). Меньшей удобрительной ценностью обладают сточные воды сахарных заводов. Применение их целесообразно (после предварительного осветления) для орошения черноземных почв. Урожай кукурузы, многолетних трав, сахарной свеклы, пшеницы, гороха, овса при орошении этими водами возрастает в 1,5—2 раза по сравнению с урожаем, полу1- ченным на неорошаемых участках. Урожай таких культур, как овес и горох, возрастает с увеличением нормы полива; если без орошения он составлял 58 ц/га, то при норме полива 1000 м3/га он достигает 94 ц/га,,а при норме полива 2000 м3/га — 145 ц/га. При использовании сточных вод для орошения значительная часть площади полей фильтрации, .где ранее очищались сточные воды сахарных заводов, может быть возвращена в сельскохозяйственное землепользование. Представляет интерес также использование спиртовой барды, которая образуется при производстве спиртов на основе растительного сырья, как добавки в корм для скота. В этой связи целесообразно расположение животноводческих ферм в непосредственной близости от промышленного объекта. Эффективным путем снижения загрязненности производственных сточных вод является извлечение из них ценных веществ, которые попадают в сточные воды в виде отходов в процессе производства. Извлечение ценных веществ осуществляется либо в цехах сразу после выхода отработанных сточных вод из технологического аппарата, либо в прице- ховых локальных установках. Как правило, ценные вещества извлекают из сточных вод не только для снижения концентрации загрязнений, но и для их утилизации. Из сточных вод нефтеперерабатывающих и нефтедобывающих заводов извлекаются и утилизируются нефть и нефтепродукты; из сточлых вод целлюлозно-бумажных комбинатов — целлюлозное волокно. В суль- фатцеллюлозном производстве после варки целлюлозы регенерируются крепкие щелоки; сульфитцеллюлозные щелоки используются для получения спирта и дрожжей. Из сточных вод фабрик ПОШ извлекают шерстный жир, который идет на изготовление ланолина — ценного продукта, применяемого в медицинской, электронной, парфюмерной и других отраслях промышленности. Извлечение и утилизация шерстного жира происходит в специальных цехах, находящихся в составе фабрик ПОШ. В сооружениях механической очистки сточных вод от производства минеральных пигментов задерживается практически чистый пигмент. Для очистки от сероводорода дренажных вод законтуренных скважин и вод внутрикарьерного водоотлива горно-химических комбинатов может быть применен физико-химический метод очистки с последующей аэрацией в скрубберах—дегазаторах (при концентрации сероводорода 50—100 мг/л). Выделяющийся сероводород используется для получения серной пасты. Для обезвреживания сернисто-щелочных сточных вод нефтеперерабатывающих заводов рекомендуется карбонизировать их диоксидом углерода, содержащимся в дымовых газах, с получением раствора кальцинированной соды. Может быть применен также метод электролиза, при котором регенерируется щелочь. Очистка сточных вод предприятий вискозного волокна включает применение регенеративных методов с целью возврата цинка в производст-
PdtniEof FeSO, Рис. 1.11. Схема регенерации серебра / — резервуар; 2. 7 — насосы; 3 — емкость; 4 — реактор; 5 — отстойник; 6 — подача сточных вод на очистные сооружения: 8 — сушилка; 9 — подача регенерированного продукта в производство во. На кожевенных заводах проектируются установки по извлечению и утилизации хрома и шерсти. Способы извлечения ценных примесей из производственных срочных вод могут быть различны, и их применение обосновывается многими факторами. Для извлечения тяжелых металлов применяются химические и физико-химические методы. При производстве фото- и киноматериалов образуются воды, содержание серебра в которых составляет 20—70 мг/л. В локальной установке по регенерации серебра (рис. 1.11) сточные воды собираются в резервуар, из которого насосом перекачиваются в емкость и в ней подогреваются острым паром до температуры 35—45 °С. В эту же емкость подается 10 %-ный раствор сульфата, железа. Затем воды самотеком поступают в реактор, в котором при рН=9,2-4-10,2 образуется осадок, содержащий серебро. Вместе с водой осадок поступает в отстойник, откуда насосом перекачивается в сушилку. В подсушенном виде осадок отправляют на завод, где его утилизируют. Вода, освобожденная от серебра, из отстойника направляется на очистные сооружения. В течение года на установке перерабатывается 25 тыс. м3 воды, содержащей серебро, и утилизируется около 500 кг серебра. При производстве калиевой селитры отходом является рассол с содержанием хлорида натрия 220—250 г/л. С вводом на заводе цеха утилизации хлорида натрия (рис. 1.12) содержание последнего в общем стоке снизилось с 4800 до 1200 мг/л. При этом ежегодно утилизируется свыше 3500 т хлорида натрия, 40 % которого выпускается в виде химической продукции реактивной чистоты. Таким образом, сточные воды промышленных предприятий представляют собой сложные водные растворы. Методы их обработки, пути использования и возможность утилизации содержащихся в них ценных веществ должны обосновываться с учетом технологии производства, экономических факторов, санитарных требований и местных условий. Рие 1.12. Схема утилизации хлорида натрия / — приемный сборник рассола; 2 — фильтр-пресс; 3 — сборник фильтрованного рассола; 4 — теплообменник; 5 —напорный бак; 6 — выпарной аппарат с выносной греющей камерой; 7 — солеот- делнтель; 8 — центрифуга; 9—разгрузочный шнек; 10 — барабанная сушилка; П — разгрузочный шнек готового продукта; 12 — бункер готового продукта; 13, 14 — сборники соответственно ма- точиых растворов и производственных сточных вод 24
§ 5. УСЛОВИЯ ВЫПУСКА ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД В ГОРОДСКУЮ КАНАЛИЗАЦИЮ При расположении промышленных предприятий в городах или вблизи них, а также при решении о совместной очистке сточных вод группы предприятий промышленной зоны и близлежащего жилого массива загрязненные производственные сточные воды могут сбрасываться в городскую канализацию. Очистка смеси бытовых и производственных сточных вод в этом случае осуществляется на единых очистных сооружениях. В связи с тем что в сточных водах промышленных предприятий могут содержаться специфические загрязнения, их спуск в городскую канализацию ограничен комплексом требований. Выпускаемые в канализацию производственные сточные воды не должны: нарушать работу сетей и сооружений; содержать более 500 мг/л взвешенных и всплывающих веществ; содержать вещества, которые способны засорять трубы канализационных сетей или отлагаться на стенках труб; оказывать разрушающее действие на материал труб и элементы сооружений канализации; содержать горючие примеси и растворенные газообразные вещества, способные образовывать взрывоопасные смеси в канализационных сетях и сооружениях; содержать вредные вещества в концентрациях, препятствующих биологической очистке сточных вод или сбросу их в водоем (с учетом эффективности очистки); иметь температуру выше 40 °С. Производственные сточные воды, не удовлетворяющие указанным требованиям, должны подвергаться предварительной очистке. Степень этой очистки должна быть согласована с исполкомом Советов народных депутатов и организациями, проектирующими очистные сооружения населенного пункта. Объединение сточных вод, способных вступать в химические реакции с выделением ядовитых или взрывоопасных газов и образовывать змульсии, а также имеющих большое количество нерастворенных веществ, не допускается. Запрещаются залповые сбросы сильноконцентрированных производственных сточных вод. При значительных колебаниях их состава в течение суток необходимо предусматривать емкости — усреднители, обеспечивающие равномерный выпуск воды. Сточные воды, в которых могут содержаться радиоактивные, токсичные и бактериальные загрязнения, перед выпуском в городскую канализацию должны быть обезврежены и обеззаражены. Выпуск концентрированных маточных и кубовых растворов непосредственно в канализацию запрещается. Незагрязненные сточные воды принимают в городскую канализацию в тех случаях, когда необходимо разбавление сильноконцентрированных загрязненных стоков. Ограничение приема незагрязненных сточных вод обусловлено нецелесообразностью перегрузки городской канализации водой, которая не требует очистки и может быть использована на производстве или спущена в водосточную сеть. При наличии в производственных сточных водах только минеральных загрязнений выпуск этих вод в городскую- канализационную сеть также нецелесообразен, так как после локальной обработки эти воды могут быть использованы в производстве или выпущены в водоем. Во избежание коррозии канализационных' коллекторов и сооружений или нарушения процессов биологической очистки кислые и щелочные производственные сточные воды при спуске в канализацию следует либо нейтрализовать, либо усреднять-. Для обеспеченеия нормальной работы очистных сооружений городской канализации при совместной очистке производственных и бытовых as
сточных вод необходимо соблюдать ряд условий. Очищаемая смесь этих сточных вод в любое время суток не должна иметь: температуру ниже 6 и выше 30 °С; активную реакцию pH ниже 6,5 и выше 8,5; общую концентрацию растворенных солей более 10 г/л; БПКполн более 500 мг/л при поступлении на биологические фильтры и аэротенки-вытеснители и более 1000 мг/л при поступлении в аэротенки с рассредоточенной подачей сточной воды; нерастворенных масел, а также смол и мазута; биологически жестких синтетических ПАВ (практически не окисляющихся на сооружениях биологической очистки); концентрацию вредных веществ, более указанной в табл. 1.5 и 1.6. ТАБЛИЦА 1.5. ВЕЛИЧИНЫ БПК, ХПК И ДОПУСТИМЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ (ДК) ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ЧИСТЫХ РАСТВОРАХ ПРИ ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД В АЭРОТЕНКАХ-СМЕСИТЕЛЯХ Вещество Анилин Ацетальдегид Ацетон Бензойная кислота Бутанол Глицерин Капролактам Кротоновый альдегид Метаиол Пропанол Резорцин Толуол Уксусная кислота Уксусно-этнловый эфир Фенол Этанол 2-этилгексанол бпкпопн I Хпк IX U Л Н | мг/мг вещества " 1,9 1,07 1,68 1,61 1,8 0,86 1,8 1,6 1,05 1,68 1,5 1,1 0,86 1,49 1,18 1,45 1,55 2,4 1,82 2,17 1,97 2,58 1,23 2,12 2,5 1.5 2,4 1,89 1,87 1,06 1,8 2,38 2,08 2,95 ДК. мг/л 100 750 600 150 600 1150 300 400 950 600 500 200 200 500 1000 700 400 Средняя скорость окисления, мг БПКПОЛЯ на 1 г сухого вещества активного ила в 1 ч 9 12 28 14 15 30 22 5,5 23 18 12,2 8 26 20 14 19 100 ТАБЛИЦА 1.6. ДОПУСТИМЫЕ КОНЦЕНТРАЦИИ (ДК) ВРЕДНЫХ В СТОЧНЫХ ВОДАХ ПРИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКЕ Вещество Кадмий Кобальт Красители: сернистые синтетические Медь Мышьяк Нефть и нефтепродукты Никель Ртуть Свинец ДК. мг/л 0,1 1 25 25 0,5 0,1 25 0,5 0,005 0,1 Эффективность удаления, % 60 50 90 70 . 80 50 90 50 — 50 Вещество ПАВ биологические мягкие (окисляющиеся на сооружениях биологической очистки): анионные неионогенные ПАВ промежуточные: анионные неионогенные Сульфиды Формальдегид Хром (трехналентный) Цианиды Цинк ВЕЩЕСТВ ДК, мг/л 20 50 20 20 1 25 2,5 1,5 1 Эффективность уда. ленив. % 80 90 60 75 99 80 00 — 70 При совместной биологической очистке производственных и бытовых сточных вод ХПК не должно превышать БПКполн более чем в 1,5 раза. Минимальное содержание биогенных элементов в смеси определяется из соотношения 100:5:1 (БПКполн : аммонийный азот : фосфор). Если это соотношение не выдерживается, то перед сооружениями биологиче- 26
ской очистки в сточные воды необходимо вводить дополнительное количество биогенных элементов в виде растворов аммиачной воды, фосфорнокислого калия и др. При совместной биологической очистке производственных и бытовых сточных вод механическая очистка может быть как.совместной, так и раздельной. Раздельную механическую очистку следует принимать для взрывоопасных производственных сточных вод. При необходимости химической или физико-химической очистки производственных сточных вод, а также при раздельной обработке осадков производственных и бытовых сточных вод также применяется раздельная механическая очистка. Расчет сооружений биологической очистки следует производить по сумме органических загрязнений, выраженных величиной БПКполн- Состав сооружений должен выбираться в зависимости от характеристики и количества поступающих на очистку сточных вод, требуемой степени их очистки, метода использования осадка и местных условий. § 6. УСЛОВИЯ ВЫПУСКА ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД В ВОДОЕМЫ Общие условия выпуска сточных вод любой категории в поверхностные водоемы определяются народнохозяйственной их значимостью и характером водопользования. После выпуска сточных вод допускается некоторое ухудшение качества воды в водоемах, однако это не должно заметно отражаться на его жизни и на возможности дальнейшего использования водоема в качестве источника водоснабжения, для культурных и спортивных мероприятий, рыбохозяйственных целей. В СССР принята система нормирования на основе предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных загрязнений. ПДК, определяемые на основе гидрологических и гидродинамических особенностей водоема, позволяют наметить комплекс технологических и санитарно-техниче- ских мероприятий для предупреждения его загрязнения и истощения при проектировании и реконструкции промышленных предприятий, а также при изменении технологии производства. Условия выпуска производственных сточных вод в водоемы регламентируются «Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами» и «Правилами санитарной охраны прибрежных районов морей» Министерства здравоохранения СССР, содержащими указания по предупреждению и устранению загрязнения производственными сточными водами поверхностных водоемов — рек, озер, искусственных каналов, водохранилищ и морей. Наблюдение за выполнением условий спуска производственных сточных вод в водоемы осуществляется санитарно-эпидемиологическими станциями и бассейновыми управлениями. Нормативы качества воды водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования. Правила устанавливают нормативы качества воды для водоемов по двум видам водопользования: к первому виду относятся участки водоемов, используемые в качестве источника для централизованного или нецентрализованного хозяйственно-питьевого водоснабжения, а также для водоснабжения предприятий пищевой про-; мышленности; ко второму виду — участки водоемов, используемые для купания, спорта и отдыха населения, а также находящиеся в черте населенных пунктов. Отнесение водоемов к тому или иному виду водопользования производится органами Государственного санитарного надзора с учетом перспектив использования водоемов. Приведенные в правилах нормативы качества воды водоемов относятся к створам, расположенным на проточных водоемах на 1 км выше ближайшего по течению пункта водопользования (водозабор для хозяй- 27
ственно-питьевого водоснабжения, места купания и организованного отдыха, территория населенного пункта и т. д.), а на непроточных водоемах и водохранилищах на 1 км в обе стороны от пункта водопользования. Для каждого из двух видов водопользования правилами установлены приведенные ниже показатели состава и свойств воды водоема в пунктах хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования. Растворенный кислород. В воде водоема (после смешения с ней сточных вод) количество растворенного кислорода не должно быть менее 4 мг/л в любой период года в пробе, отобранной до 12 ч дня. Биохимическая потребность в кислороде. Полная потребность воды в кислороде при температуре 20 °С не должна превышать 3 и 6 мг/л для водоемов соответственно первого и второго вида, а также морей. Взвешенные вещества. Содержание взвешенных веществ в воде водоема после спуска сточных вод не должно увеличиваться более чем на 0,25 и 0,75 мг/л для водоемов соответственно первого и второго вида. Для водоемов, содержащих в межень более 30 мг/л природных минеральных веществ, допускается увеличение концентрации взвешенных веществ в воде до 5 %. Сточные воды, содержащие взвешенные вещества со скоростью осаждения более 0,4 мм/с для проточных водоемов и более 0,2 мм/с для водохранилищ, спускать запрещается. Запахи и привкусы. Вода не должна приобретать запахов и привкусов интенсивностью боле*е 3 баллов для морей и 2 баллов, обнаруживаемых для водоемов первого вида непосредственно или при последующем хлорировании и для водоемов второго вида непосредственно. Вода не должна сообщать посторонних запахов и привкусов мясу рыбы. Окраска не должна обнаруживаться в столбике воды высотой 20 см для водоемов первого вида и 10 см для водоемов второго вида и морей. Реакция воды водоема после смешения ее со сточными водами должна быть 6,5^рН^8,5. Ядовитые вещества не должны содержаться в концентрациях, которые могут оказать прямо или косвенно вредное действие на здоровье населения. Плавающие примеси. Сточные воды не должны содержать минеральных масел и других плавающих веществ в таких количествах, которые способны образовать на поверхности водоема пленки, пятна и скопления. Возбудители заболеваний не должны содержаться в воде. Сточные воды, содержащие возбудителей заболеваний, должны подвергаться обеззараживанию после предварительной очистки. Методы обеззараживания биологически очищенных сточных вод должны обеспечивать ко- ли-индекс не более 1000 при содержании остаточного хлора не менее 1,5 mf/л. Коли-индекс для морской воды должен быть согласован с органами Государственного санитарного надзора. Минеральный состав для водоемов первого вида не должен превышать по плотному остатку 1000 мг/л, в том числе хлоридов 350 мг/л и сулъфатов 500 мг/л, а для водоемов второго вида нормируется по приведенному выше показателю «Привкусы». Температура воды водоема в результате спуска с него сточных вод не должна повышаться летом более чем на 3°С по сравнению со среднемесячной температурой воды самого жаркого месяца года за последние 10 лет. Нормативы качества воды водоемов, используемых в рыбохозяйст- венных целях, установлены применительно к двум видам водопользования: к первому виду относятся водоемы, используемые для воспроизводства и сохранения ценных сортов рыб; ко второму — водоемы, используемые для всех других рыбохозяйственных целей. Вид рыбохозяй- ственного использования водоема определяется органами Рыбоохраны с учетом перспективного развития рыбного хозяйства и промысла. 28
Нормативы состава и свойств воды водоемов, используемых для ры- бохозяйственных целей, в зависимости от местных условий могут относиться к району выпуска сточных вод при быстром смешении их с водой водоема или к району ниже выпуска сточных вод с учетом возможной степени их смешения и разбавления на участке от места выпуска до ближайшей границы рыбохозяйственного участка водоема. На участках массового нереста и нагула рыб выпуск сточных вод не разрешается. При выпуске сточных вод в рыбохозяйственные водоемы предъявляются более высокие требования, чем при выпуске сточных вод в водоемы, используемые для питьевых и культурно-бытовых нужд населения. Растворенный кислород. В зимний период количество растворенного кислорода не должно быть ниже 6 и 4 мг/л для водоемов соответственно первого и второго вида, в летний период — не ниже 6 мг/л в пробе, отобранной до 12 ч дня, для всех водоемов. Биохимическая потребность в кислороде. Величина БПКполн при температуре 20°С не должна превышать 3 мг/л в водоемах обоих видов. Если в зимний период содержание растворенного кислорода в воде водоемов первого и второго вида водопользования снижается соответственно до 6 и 4 мг/л, то можно допустить сброс в них только тех сточных вод, которые не изменяют ВПК воды. Ядовитые вещества не должны содержаться в концентрациях, которые могут оказать прямо или косвенно вредное действие на рыб и водные организмы, служащие кормом для рыб. Температура воды в результате спуска сточных вод не должна повышаться в летний период более чем на 3°С, а в зимний период более чем на 5 °С. Следует учитывать, что с повышением температуры восприимчивость организмов к токсичным веществам увеличивается. Предельно допустимые концентрации (ПДК) радиоактивных веществ в воде водоемов регламентируются «Санитарными правилами работы с радиоактивными веществами и источниками ионизирующих излучений». В табл. 1.7 и 1.8 приведены ПДК некоторых вредных веществ в воде водоемов хозяйственно-питьевого, культурно-бытового и рыбохозяйственного водопользования. Большое внимание в последние годы уделяется вопросам предупреждения и устранения загрязнений прибрежных районов морей. Нормативы качества морской воды, которые должны быть обеспечены при спуске сточных вод, относятся к району водопользования в отведенных границах и к створам на расстоянии 300 м в стороны от этих границ. При использовании прибрежных районов морей в качестве приемника производственных сточных вод содержание вредных веществ в море не должно превышать ПДК, установленные по санитарно-токсикологи- ческому, общесанитарному и органолептическому лимитирующим показателям вредности. При этом требования к спуску сточных вод дифференцированы применительно к характеру водопользования. Море рассматривается не как источник водоснабжения, а как лечебный оздоровительный, культурно-бытовой и гигиенический фактор. Правила относятся не к морю вообще, а только к тем прибрежным его районам, которые предназначены для лечения, отдыха, купания, спортивных мероприятий и находятся в пределах границ населенных пунктов, санаториев, домов отдыха, туристических баз и пр. Основы нормирования в санитарной охране водоемов базируются на ПДК отдельных вредных вешеств, поступающих в водоемы с производственными сточными водами. Практически же в их составе после соответствующей очистки при спуске в водоемы содержатся десятки различных вредных веществ. Возможных сочетаний загрязняющих воду 29
ТАБЛИЦА 1.7. ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫЕ КОНЦЕНТРАЦИИ (ПДК) ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ВОДЕ ВОДОЕМОВ ХОЗЯЙСТВЕННО-ПИТЬЕВОГО И КУЛЬТУРНО-БЫТОВОГО ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ Вещество ПДК. мг/л Л. По санитарно-токсикологическому лимитирующему показателю Анилин Бензол Бериллий Гексоген Гексаметилендиамнн Гексахлорбензол Мышьяк Нитраты (по азоту) Нитрохлорбензол Пиридин Полнакрнламнд Роданиды Ртуть Свинец Тетраэтнлсвинец Формальдегид вредности 0.1 0,5 0,0002 0,1 0,01 0,05 0,05 10 0,06 0,2 2 0.1 0,005 0,1 0 0,05 Б. По общесанитарному лимитирующему показателю вредности Аммиак (по азоту) Диметилформ амид Кадмий Капролактам Кобальт Медь Никель * * ¦ 11¦ Np W Д V Тринитротолуол Хлор активный Цинк 2 10 0,01 1 1 0.1 0 1 0,5 0 1 Вещество ПДК. мг/л В. По органолептнческому лимитирующему показателю Бензин Гексахлоран Диннтробензол Дихлор бензол Дихлорфенол Дихлорэтан ддт Железо Керосин Нафтеновые кислоты Нефть: многосернистая прочая Пикриновая кислота Пропилен Сероуглерод Скипидар Тиофос Толуол Фенол (карболовая кисло- та) Хлорбензол Хлорофос Хром: трехвалентный шестивалентный Четыреххлористый углерод вредности 0,1 0,02 0,5 0,002 0.002 2 0,1 0,5 0,1 0,3 0,1 0,3 0.5 0,5 1 0,2 0 003 0а5 0,001 0,1 0,05 0,5 0,1 5 ТАБЛИЦА 1.8. ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫЕ КОНЦЕНТРАЦИИ (ПДК) ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ВОДЕ ВОДОЕМОВ РЫБОХОЗЯИСТВЕННОГО ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ Вещество Аммнак Кадмий Магний Медь Мышьяк Нефть н нефтепродукты в растворенном и эмульгированном состоянии Никель Свинец ПДК, мг/л 0,1 0,005 50 0,01 0,05 0,05 0,01 0,1 Вещество Сероуглерод Смолистые вещества, вымываемые из хвойных пород древесины Танниды Фенолы Хлор свободный Цианиды Цинк ПДК. мг/л 1 2 10 0,001 0 0,05 0,01 компонентов может быть такое множество, что нормирование по комплексному присутствию различных вредных веществ не представляется возможным. Проф. С. Н. Черкинским была предложена методика расчета условий спуска производственных сточных вод при совместном присутствии в них нескольких вредных веществ. В соответствии с этой методикой сумма концентраций всех веществ, выраженных в долях от соответствующих ПДК для каждого вещества в отдельности, не должна превышать 30
единицы. Суммарный эффект воздействия на санитарное состояние водоема нескольких вредных веществ определяется по формуле Сі/С1п.д + С2/С2п.д +...+ Сі/Сіп.д < 1. A •15) или )<1, A.16) где Сі, Сі, .... Сі — концентрации вредных веществ в воде водоема (обнаруженные или расчетные); Cm д, Сгп.д, ..., С-;п.д —ПДК, установленные для соответствующих вредных, веществ в воде источника. Если при расчете условие формулы A.16) не соблюдается, то санитарное состояние водоема не удовлетворяет нормативным требованиям и необходимо осуществить мероприятия по повышению эффективности очистки производственных сточных вод перед их спуском в водоем. Все расчеты по определению условий спуска сточных вод в водоем следует производить для самых невыгодных гидрологических условий: для незарегулированных рек — на средний расход наиболее маловодного месяца гидрологического года 95%-ной обеспеченности; для нижних бьефов зарегулированных рек — на минимальный гарантированный пропуск гидроузла; для озер и водохранилищ — при наименьших уровнях воды в них; для морей, озер, водохранилищ — при наиболее неблагоприятном направлении течений к ближайшему пункту водопользования. Условия спуска сточных вод в водоемы, изложенные в правилах, распространяются на все объекты канализования независимо от их ведомственной подчиненности. § 7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕОБХОДИМОЙ СТЕПЕНИ ОЧИСТКИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД Для правильного ипределения необходимой степени очистки сточных вод, спускаемых в водоем, в каждом случае нужно иметь подробные данные об их количестве и составе, а также данные детальных обследований водоема, характеризующие местные гидрологические и санитарные условия. Необходимая степень очистки сточных вод определяется применительно к общесанитарным и органолептическим показателям вредности и к каждому из нормативных показателей загрязнения. Расчеты по определению необходимой степени очистки сточных вод, спускаемых в водоем, производят по количеству взвешенных веществ, допустимой величине БПК в смеси речной воды и сточных вод, по потреблению сточными водами растворенного кислорода, по температуре воды, окраске, запаху и солевому составу, по ПДК токсичных примесей и других вредных веществ, а также по изменению величины активной реакции воды водоема. Взаимосвязь между санитарными требованиями к условиям спуска сточных вод в водоемы (соответствие состава и свойств воды водоема, который используется для водопользования, установленным нормативам) и необходимой степенью очистки сточных вод перед спуском их в водоем в общем виде выражается формулой A.17) где Сет — концентрация загрязнения (вредного вещества) сточных воя, при которой не будут превышены допустимые пределы (расчетный показатель состава и свойств воды в соответствии с санитарными требованиями); Ср— концентрация этого же вида загрязнения (вредного вещества) в воде водоема выше места выпуска рассматриваемого стока; Си.я — предельно допустимое содержание загрязнения (вредного вещества) в воде водоема; а — коэффициент смешения, показывающий, какая часть расхода воды в водоеме смешивается со сточными водами в расчетном створе; Q — расход воды в водоеме; q — расход сточных вод, поступающих в водоем. 31
Величина Q определяется по данным гидрометеорологической службы, величина q — по технологическим расчетам, а величина Ср — по литературным данным или на основе натурных замеров. Коэффициент смешения а зависит от многих факторов: конструкции выпуска, расстояния до расчетного створа, гидравлических и гидрологических параметров водоема. Значение коэффициента а определяется по методу В. А. Фролова и И. Д. Родзиллера. Преобразуя формулу A.17), получим значение Сст, т.е. величину концентрации загрязнения (вредного вещества) в сточных водах, которая должна быть достигнута в результате их очистки и обезвреживания: (СС) + С. A.18) Расчетные створы ближайших пунктов водопользования устанавливаются органами Государственного надзора с учетом перспектив использования водоема. Определение необходимой степени очистки по количеству взвешенных веществ. Допустимое содержание взвешенных веществ т в спускаемых сточных водах в соответствии с санитарными правилами может быть определено из уравнения aQbfqm откуда где р— допустимое по санитарным правилам увеличение содержания взвешенных веществ в водоеме после спуска сточных вод (в зависимости от вида водопользования), г/м3; Ь — содержание взвешенных веществ в воде водоема до спуска сточных вод, г/м3. Необходимая степень очистки D по взвешенным веществам, %: D = ?zL^100) A.21) с где С — количество взвешенных веществ в сточной воде до очистки, г/м3. Определение необходимой степени очистки по БПКполв- В основу расчета положено изменение степени загрязненности путем разбавлена сточных вод водой водоема, а также за счет биохимических процессе» самоочищения сточных вод от органических веществ. Баланс ВПК смеси речной и сточной воды в расчетном створе (бе: учета реаэрации) выражается уравнением qLCT- 1<Г*ст (+ aQLp. 1<Г*р ' = (q + aQ) La.n, A.25 где Let — БПКполн сточной жидкости-, которая должна быть достигнута в процесс очистки; Lp—БПКполя речной воды до места спуска сточных вод; La,n — предельн ДОПуСТИМаЯ БПКполн СМЄСИ реЧНОЙ И СТОЧНОЙ ВОДЫ В раСЧеТНОМ СТВОре; ket И fep- константы скорости потребления кислорода соответственно сточной и речной водоі t—продолжительность перемещения воды от места спуска сточных вод до растетне го пункта, сут, равная отношению расстояния по фарватеру от места спуска сточны вод до расчетного пункта Up к средней скорости течения воды в реке на данно участке Dop. Отсюда Если фактическая БПКполн подлежащей сбросу сточной воды La. >/-ст, то вода до выпуска в водоем должна быть очищена. Необходим? степень очистки Э, %, определяется выражением Э = La ~ LcT 100. '-а Для упрощения расчетов можно воспользоваться табл. 1.9. 32
ТАБЛИЦА 1.9. ЗНАЧЕНИЯ ВЕЛИЧИН 10 *ст 'и 10 *Р 'пРИ ПЕРЕМЕННЫХ ftCT. *р И икр 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24 0,26 0,28 0,3 0,4 0,5 і, > k і Значения величин К) ст и ы ]i при /, сут U.2S 0,981 0,966 0,955 0,944 0,933 0,922 0,912 0,903 0,891 0,881 0,871 0,861 0,851 0,841 0,794 0,75 0.5 0,955 0,933 0,912 0,891 0,871 0,851 0,832 0,813 0,794 0,776 0,759 0,741 0,724 0,708 0,631 0,565 1 0,912 '0,871 0,832 0,794 0,759 0,724 0,692 0,661 0,631 0,603 0,575 0,55 0,525 0,501 0,398 0,316 1,5 0,871 0,813 0,759 0,708 0,66 0,617 0,575 0,537 0,501 0,478 0,437 0,407 0,38 0,355 0,251 0,178 2 0,832 0,759 0,692 0,631 0,575 0,523 0,479 0,437 0,393 0,363 0,331 0,302 0,275 0,251 0,158 0,1 2.5 0,794 0,708 0,631 0,572 0,501 0,447 0,398 0,355 0,316 0,283 0,251 0,224 0,199 0,178 0,1 0,056 3 0,759 0,661 0,575 0,501 0,436 0,38 0,331 0,258 0,251 0,219 0,191 0,166 0,145 0,126 0,063 0,032 4 0,692 0,575 0,479 0,398 0,331 0,275 0,229 0,191 0,158 0,132 0,11 0,091 0,076 0,063 0,025 0,01 5 0,631 0,501 0,398 0,316 0,251 0,2 0,159 0,126 0,1 0,079 0,063 0,05 0,04 0,032 0,01 0,003 6 0,575 0,437 0,331 0,25i 0,191 0,145 0,11 0,083 0,063 0,049 0,036 0,025 0,021 0,016 0,004 0,001 Константа kp имеет различные значения в зависимости от температуры воды: Т, °С ftp . о 0,04 5 0,05 10 0,063 15 0,08 20 0,1 25 0,126 30 0,158 Константу скорости потребления кислорода kCT следует либо определять на основе литературных данных и аналогичных показателей для родственных предприятий, либо проводить специальные исследования. По полученным данным строится кривая потребления кислорода, на основании которой и рассчитывается ?сТ- Определение необходимой степени очистки по растворенному в воде водоема кислороду. В соответствии со схемой изменения кислородного баланса водоема после спуска сточных вод наблюдается уменьшение концентрации растворенного кислорода до определенного минимума (так называемая «критическая точка»), после которого содержание растворенного кислорода начинает возрастать. Если условно принять, что в «критической точке» содержание растворенного кислорода Опз будет не менее 4 или 6 мг/л (соответственно для водоемов-питьевого и культурно-бытового или рыбохозяйственного вида водопользования), то во всех остальных пунктах по течению реки оно, очевидно, будет выше. Этим самым удовлетворяется требование санитарных правил. Наиболее простой из существующих способов расчета основан на учете поглощения сточными водами только того растворенного кислорода, который содержится в речной воде выше места спуска сточных вод. При этом полагают, что если концентрация растворенного в воде кислорода не станет ниже Оп.д в течение первых 2 сут, то она не снизится и в дальнейшем. Это условие выражается уравнением aQOp — (aQLp + qLcl,)k^(aQ + q)On.Ki A.25) где Op — концентрация растворенного кислорода в речной воде выше места спуска сточных вод, г/м3; k — коэффициент пересчета БПКмлн, определяемый лабораторным путем, в БПК^; О„.л — минимальная концентрация растворенного кислорода, которая должна сохраниться в воде водоема ниже места спуска сточных вод, г/м3; k — величина, определяемая расчетным путем; она изменяется в зависимости от содержания в производственных сточных водах легко- и трудноокнеляемых органических соединений. Приведенное выше уравнение составлено из условия, что весь на: личный запас растворенного в водоеме кислорода QOP должен быть в 3-179 33
такой мере израсходован на окисление органического загрязнения речной и сточной воды (QLp-\-qLCT)k, чтобы в общей их смеси (Q + Q) концентрация растворенного кислорода была равна или больше Оп.д, как это требуется санитарными правилами. Допустимая концентрация сточных вод при этом условии (Op-Rp-Оп.д)--^. A.26) Если полученная величина LCT меньше расчетной концентрации в проектируемых к спуску в водоем сточных водах, то последние должны быть очищены до концентрации органических загрязнений по БПКпсуш, равной концентрации LCT. Второй способ расчета позволяет учитывать процессы поглощения кислорода сточными водами из речной воды и поверхностную реаэ- рацию. При расчете кислородного баланса реки по этому способу, кроме указанных выШе величин, учитывают: среднюю скорость движения воды в водоеме аСр, м/с; температуру воды в реке в расчетный период Т, °С; константы (постоянные величины в соответствующих уравнениях) скорости биохимического поглощения кислорода k\ и скорости поверхностной реаэрации k2. Определение необходимой степени очистки по температуре воды водоема производится в соответствии с санитарными требованиями, ограничивающими повышение летней температуры воды за счет термальных загрязнений сточных вод, поступающих в водоем. Это условие описы- Еается уравнением Тст = (aQlq+ 1) Тд + Тр, A-27) где Тст — максимальная температура сточных вод, при которой соблюдается санитарное требование относительно температуры воды в расчетном створе; Тр — максимальная температура воды водоема до места выпуска сточных вод в летнее время; Тя — допустимое повышение (не более чем на 3 СС) температуры воды водоема. Определение необходимой степени очистки по общесанитарному показателю вредности, а также по санитарно-токсикологическому и орга- нолептическому показателям вредности, по которым установлены ПДК, производится по формуле A.18). Обычно в процессе очистки производственных сточных вод различные вещества одной группы лимитирующего показателя вредности очищаются неодинаково. Поэтому необходимую степень очистки следует находить для наиболее трудно извлекаемого из сточных вод компонента. Концентрация же этого вещества в расчетном створе Са должна быть (-і Если условие необходимой степени очистки будет выдержано для этого вещества, то эффект очистки от других загрязняющих компонентов также будет обеспечен, а санитарные нормы на присутствие нескольких веществ одной группы лимитирующего показателя вредности выдержаны. Определение необходимой степени очистки по изменению активной реакции воды. При спуске кислых и щелочных сточных вод необходимо учитывать нейтрализующую способность водоема, что в ряде случаев позволяет обойтись без специальных сооружений по нейтрализации сточных вод. Вода водоемов содержит бикарбонаты кальция Са(НСО3J и магния Mg(HCO3J, обусловливающие ее карбонатную жесткость, а также угольную кислоту в виде растворенного диоксида углерода СО2. Кислоты, поступающие в водоем вместе с производственными сточными вода- 34
8.25 pfl Рис. 1.13. Номограмма для расчета допустимого количества кислых и щелочных сточных вод, спускаемых в водоем ми, взаимодействуют с бикарбонатами, вытесняя из них углекислоту, в связи с чем' количество бикарбонатов в воде (т. е. ее щелочность) уменьшается, а количество растворенного диоксида углерода увеличивается. Реакция нейтрализации (например, серной кислоты) в водоеме за счет бикарбонатов кальция протекает по формуле Ca(HCO3J+H2SO4=CaSO4-}-2H2O+2CO2. Поступление в водоем вместе со сточными водами щелочей приводит к взаимодействию их с диоксидом углерода, что увеличивает щелочность воды водоема. Реакция в этом случае может протекать по формуле 2№ОН + СО2 = Na2CO3 -f H2O. Согласно санитарным правилам в водоемах всех видов- водопользования в расчетных створах изменение величины pH не должно выходить за пределы 6,5—8,5. Для установления допустимого количества кислоты или щелочи, которое может быть вместе со сточными водами сброшено в водоем, необходимо знать щелочность Щ и pH воды водоема. Для облегчения расчетов можно воспользоваться номограммой (рис. 1.13), позволяющей с достаточной для практических расчетов точностью установить максимальное количество кислоты Ск или щелочи Сщ (в мл нормального раствора), которое может быть нейтрализовано 1 л воды водоема при условии, что в расчетном створе pH воды останется в пределах санитарных требований. На номограмме сплошные кривые линии относятся к Ск, а пунктирные к Сщ. Каждая из этих линий соответствует определенному значению щелочности воды водоема Щ=В. Определение Ск и Сщ производят восстановлением перпендикуляра из точки, соответствующей pH воды водоема, до пересечения с соответствующей кривой щелочности воды водоема и последующим проведением из этой точки пересечения горизонтальной прямой до оси ординат. Из условий смешения сточных вод с водой водоема получается зависимость для определения допустимого содержания кислоты Сот.к или щелочи Сст.щ в сточных водах, спускаемых в водоем: Сет.к ~ aQ A.29) A.S0) Если расчетные концентрации щелочи или кислоты будут меньше фактических концентраций в производственных сточных водах, то перед сбросом в водоем сточные воды необходимо нейтрализовать. Приведенные выше формулы расчета необходимой степени очистки производственных или смеси производственных и бытовых сточных вод относятся к проточным водоемам, т. е. основным приемникам сточных вод. Но в ряде случаев возникает необходимость спуска сточных вод в непроточные водоемы (озера, водохранилища, моря). Исследования, 35
проведенные на водохранилищах, озерах и морях, показали, что основную роль в перемешивании сточных вод с водами непроточных водоемов играют конструкция и глубина расположения выпуска, наличие прибрежных течений, ветровые воздействия и др. В соответствии с разработанными М. А. Руффелем и Н. Н. Лаптевым методами расчета смешения сточных вод с водами непроточных водоемов определяется либо общее разбавление (для озер, водохранилищ и морей), либо наименьшее разбавление (для озер и водохранилищ) п. Следует отметить, что в проточных водоемах кратность разбавления в расчетном створе пр определяется по формуле np = (aQ + q)/q. A.31) При расчете необходимой степени очистки сточных вод, спускаемых в непроточные водоемы, в расчетные формулы A.18), A.20), A.23), A.26), A.27), A.29) и A.30) вместо выражения aQjq [см. формулу (!.31)] вводится выражение п—1 и они приобретают следующий вид: 1) предельно допустимая концентрация загрязнения (вредного вещества) в спускаемых сточных водах Сст<Св + п(СП.л-Св), A.32) где Си — концентрация загрязнения (вредного вещества) в воде непроточного водоема; 2) концентрация взвешенных веществ в спускаемых сточных водах m = b + np; A.33) 3) допустимая величина БПКполн в спускаемых сточных водах где La — БПКполн воды в непроточном водоеме до сброса сточных вод; kB — константа скорости потребления кислорода в воде непроточного водоема; 4) допустимая величина БПКполн в спускаемых сточных водах по растворенному в воде кислороду ?ст = ^(Ов-*?в-Оп.д)-.%?-, A.35) я я где Ов — концентрация растворенного кислорода в воде непроточного водоема до спуска сточных вод; Ов.д — ПДК растворенного кислорода, которая должна быть в расчетном створе после спуска сточных вод; 5) допустимая максимальная температура в спускаемых сточных водах ТСт = пТя+Тві A.36) где Т„ — расчетная температура в воде непроточного водоема до спуска сточных вод; 6) допустимое содержание кислоты или щелочи в спускаемых сточных водах 1 оСт.к = (п-1)Ск; A.37) Сст.ы = («— 1)СЩ. A.38) ГЛАВА 2. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД* Механическая очистка применяется для выделения из сточной воды нерастворенных минеральных и органических примесей. Назначение механической очистки заключается в подготовке производственных сточных вод при необходимости к биологическому, физико- химическому или другому методу более глубокой очистки. Механиче- В написании гл. 2 принимала участие канд. ггехн. наук О. Я. Евсеева.
скля очистка ня современных очистных станциях состоит из процеживания через решетки, пескоулавливання, отстаивания и фильтрования. Типы и размеры этих сооружений зависят в основном от состава, свойств и расхода производственных сточных вод, а также от методов их дальнейшей обработки. Как правило, механическая очистка является предварительным, реже—окончательным этапом для очистки производственных сточных вод. Она обеспечивает выделение взвешенных веществ из этих вод до 90—95 % и снижение органических загрязнений (по показателю БПКполн) до 20-25%. Высокий эффект очистки сточных вод достигается различными способами интенсификации гравитационного отстаивания — преаэрациен, биокоагуляцией, осветлением во взвешенном слое (отстойники-осветлители) или в тонком слое (тонкослойные отстойники), а также с помощью гидроциклонов. Процесс более полного осветления сточных вод осуществляется фильтрованием.— пропуском воды через слой различного зернистого материала (кварцевого песка, гранитного щебня, дробленого антрацита и керамзита, горелых пород, чугунолитейного шлака и других материалов) или через сетчатые барабанные фильтры и микрофильтры, через высокопроизводительные напорные фильтры и фильтры с плавающей загрузкой — пенополиуретановой или пенополнстирольной. Преимущество указанных процессов заключается в возможности применения их без добавления химических реагентов. Выбор метода очистки сточных вод от взвешенных частиц осуществляется с учетом кинетики процесса. Размеры взвешенных частиц, со-, держащихся в производственных сточных водах могут колебаться в очень широких пределах (возможные диаметры частиц составляют от 5-10~9 до 5-10~4 м), для частиц размером до 10 мкм конечная скорость осаждения составляет менее 10~2 см/с. Если частицы достаточно велики (диаметром более 30—50 мкм), то в соответствии с законом Стокса они могут легко выделяться отстаиванием (при большой концентрации) или процеживанием, например, через микрофильтры (при малой концентрации). Коллоидальные частицы (диаметром 0,1 — 1 мкм) могут быть удалены фильтрованием, однако из-за ограниченной емкости фильтрующего слоя более подходящим методом при концентрациях взвешенных частиц более 50 мг/л является ортокинетическая коагуляция с последующим осаждением или осветлением во взвешенном слое. Повышение техиологидеской эффективности сооружений механической очистки очень важно при создании замкнутых систем водного хозяйства промышленных предприятий. Этому требованию удовлетворяют различные новые конструкции многополочных отстойников, сетчатых фильтров, фильтров с новыми видами зернистых и синтетических загрузок, гндроциклонов (напорных, безнапорных, многоярусных). Применение этих сооружений позволит сократить в 3—5 раз капитальные затраты и на 20—40 % эксплуатационные расходы, уменьшить в 3—7 раз необходимые площади для строительства по сравнению с применением обычных отстойников. С целью обеспечения надежной работы сооружений механической очистки производственных сточных вод, как правило, рекомендуется применять не менее двух рабочих единиц основного технологического назначения — решеток, песколовок, усреднителей, отстойников или фильтров. При выборе максимального числа сооружений предусматривается их секционирование по унифицированным группам, состоящим из единиц с наиболее крупными габаритами. Повышение эффекта механической очистки' сточных вод, в особенности работы сооружений по первичному отстаиванию, позволяет сократить объемы сооружений для последующих процессов очистки и тем самым снизить расходы на строительство и затраты на эксплуатацию 37
Сточная Вода U Песок на обезВо#и8а- нае вода > воздух ш промашу Осадок наобраоотку и утилизацию Вода от промыВиц Фильтров на доочистку и повторное чзобанив 8 системе авіїственкогв бвааснааікі Bot и с польз ос, ариигвпдс. Рис. 2.1. Схема механической очистк« производственных сточных вод / — вариант с дроблением отходов и отводом нх в канализацию; // — вариант с вивозом отходов в контейнерах на обезвреживание* / — приемная камера; 2 — решетки механические с отдельными дробилками или решетки-дробнлки; 3 -~ песколовки; 4 — водоизмерительное устройство (лоток Вентурн); 5 — усреднители; 6 — отстойники или отстойники-осветлители; 7 — барабанные сетки и песчаные фильтры «ли только каркасно-засып- ные фильтры (не требующие установки перед ними барабанных сеток); в — насосная станция . Qcop-0,5% В канамзаиию Рис. 2.2. Схема механической очистки производственных сточных вод с использованием в системе оборотного водоснабжения / — промышленное предприятие; 2 — сооружения механической очистки; 3 — насосная станция для перекачки шлама; 4 — шламопронод; 5—установка механического обезвоживания и утилизации шлама (или шламонакопитель); 6 — насосная станция оборотной воды; 7 — градирня; 8 — камера приема охлажденной и добавочной воды. Трубопроводы: 9 — неочищенной горячей воды; 10'— очищенной горячей воды; // — очищенной охлажденной воды более дорогих и сложных сооружений физико-химической и биологической очистки, а также обработки осадка. Очистные сооружения рассчитываются по максимальному расходу сточных вод или же по какому-либо среднему их расходу, например аэротенки по среднечасовому расходу за период аэрации. Иногда следует проверять их объемы по минимальному расходу. В связи с этим целесообразно в самом начале разработки проекта определить характерные расходы производственных сточных вод [см. формулы Расчетные расходы произвол - ственых сточных вод. от отдельных промышленных предприятий определяются по балансу воды для конкретного предприятия в соответствии с технологическими данными. Ориентировочно расходы сточных вод промышленных предприятий могут быть определены по данным, приведенным, в книге «Укрупненные нормы водопотребления и водо- отведения для различных отраслей промышленности». На рис. 2.1 показана схема механической очистки производственных сточных вод со следующим составом основных сооружений: решетки 2 для задержания крупных загрязнений органического и минерального происхождения, песколовки 3 для выделения тяжелых минеральных примесей (главным образом песка), усреднители 5 расхода сточных вод и концентрации нх загрязнений, отстойники или отстойники-осветлители 6 для выделения нерастворимых примесей, фильтры 7 для более полного осветления воды и сооружения для обработки осадка. В ряде случаев механическая очистка является единственным и достаточным способом для извлечения из производственных сточных вод механических загрязнений и подготовки их к повторному использованию в системах оборотного водоснабжения. При необходимости предусматри- 38
вается охлаждение механически очищенной сточной воды в градирнях (рис. 2.2). Однако для некоторых производств требуется вода с меньшим содержанием взвешенных веществ, чем содержание, обеспечиваемое механической очисткой, поэтому необходима дополнительные физико-химическая и биологическая очистка, а также еще более глубокая очистка производственных сточных вод. При повторном использовании биологически очищенной сточной воды в соответствии с санитарными нормами требуется применять хлорирование. §8. РЕШЕТКИ Решетки устанавливают на очистных станциях при поступлении на них сточных вод самотеком. Не применять решетки на очистных станциях допускается в случае подачи сточных вод насосами с установленными перед ними решетками с прозорами 16 мм или менее. Расчет решеток производится- на максимальный приток сточных вод (м3/с или м3/ч) или на пропускную способность очистной станции (мV /сут). Наибольшее применение получили решетки следующих типов: решетки механические унифицированные типа РМУ и с механическими граблями типа МГ, предназначенные для извлечения из сточных вод крупных загрязнений с механизированной выгрузкой их непосредственно в контейнер или на транспортирующее устройство к дробилкам; комбинированные решетки-дробилки типов РД и КРД. Решетки типов РМУ (рис. 2.3) и МГ (рис. 2.4). Извлечение отходов с решетки РМУ, выпускаемой заводом «Водмашоборудование» (г. Во- ТАБЛИЦА 2.1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕШЕТОК ТИПА РМУ (см. рис. 2.3) Показатели Расчетный расход: часовой, м3/ч секундный, м3/с Решетки, шт., марок: РМУ-2 (размер 1000Х Х1000 мм) РМУ-3 (размер ЮООХ Х2000 мм) РМУ-4 (размер 1500Х Х2000 мм) РМУ-5 (размер 2000х Х2000 мм) Количество отходов: по массе, при 7 = 750 кг/м3, т/сут по объему, м3/сут Вариант с дроблением от- ходов Число дробилок молоткового типа производительностью, т/ч: 0,5 1,0 Расход воды, подаваемой к дробилке (из расчета 40 м3 на 1т отходов), м3/ч Вариант с. вывозом ОТ^О- иОв Число контейнеров вместимостью 0,55 м3 Пропускная 50 2600 0,72 3B)* — ** — — 2,4 3,2 — — — 6 80 4000 1,11 3B)* — — 4,2 5,4 — — — 10 способность очистной станции, тыс. 100 5000 1,36 — 3 B)* — — 4,8 6,4 2A)** 8 12 140 6900 1,87 — 3B)* — — 6,7 8,9 2A)** 11 140 6900 1,87 — — 3B)* — 6,7 8,9 — 2A)* 11 200 9900 2,68 — — 3B)* — 9,6 12,8 — 2A)* 16 ма/сут 200 9900 2,68 — — — 3B)* 9,6 12,8 2A)* 16 280 14 000 3,76 — — — 3B)* 13,4 17,9 2A)* 22,5 * В скобках указано число единиц рабочего оборудования. ** Одна резервная дробилка расположена в помещении решеток.
0,812 1,302 Рис. 2.3. Механическая унифицированная решетка типа РМУ / — решетка- 2 — граблина; 3 — лоток откидно:!; 4 — сбрасыватель; 5 — электропривод; 6 — траверса церхняя; 7 — концевой выключатель; S — блок переключения; Ч — барабан грузовой; 10 — каретка подвижная; II — упор каретки; 12 — канат металлический ронеж), производится граблиной 2, шарнирно соединенной с кареткой 10. Возвратно-поступательное движение граблины осуществляется с помощью двух стальных канатов 12, наматывающихся на барабаны 9, на которые передается крутящий момент от электропривода 5. Сброс отходов производится сбрасывателем 4 в откидной лоток 3. Грабли механических решеток РМУ-1—РМУ-5 приводятся в движение электродвигателем мощностью /V = 0,37 кВт при частоте вращения п=1450 мин-1, а РМУ-6 и РМУ-7—электродвигателем мощностью ;V=1,1 кВт также при я=1450 мин~'. Технические характеристики решеток РМУ и МГ представлены в табл. 2.1 и 2.2. Для дробления задержанных загрязнений на средних и крупных очистных станциях требуется устанавливать отдельные дробилки (рис. 2.5). Применяются молотковые дробилки заводов «Водмашоборудова- ние» и «Водоприбор» производительностью 0,3—0,6; 1 и 2 т/ч. Эти дробилки устанавливаются с электродвигателями мощностью соответст-
Рис. 2.4. Механизированная наклонная решетка типа МГ (стрелка А показывает направление движения жидкости; стрелка Б — направление движения цепи с граблиной) / — граблина; 2— тяговая цепь; 3 — электропривод; 4 — электродвигатель; 5 — решетка Разрезы у ± ¦ 2- Отходы А-А fr. ¦ > 3 -і ОМ 5- \ V 1,56k ф /7,55 ОМ 7 ч » Е. j 1 j S ¦51 d'0.15 Рис. 2.5. Дробилка молотковая марки Д-3 для очистных станций пропускной способностью до 100 тыс. мэ/сут / — подача сточной воды; // — отвод дробленых отходов; / — бункер загрузочный; 2 — штуцер; 3, 4—соответственно верх-* няя и нижняя половина корпуса; 5 — дробильная гребенка; 6 — ротор, состоящий из вала, дисков и пальцев; 7 — сварная рама; 8 — электродвигатель; 9 — кожух муфты; 10 — маховик; // — перфорированная решетка; 12 — дробильный молоток 41
??an БОЕВ венно 20—22,55—75 и 100—120 кВт. Перед дробилками необходимо сортировать отходы, отбирая недробн- мые элементы, что осуществляется вручную. Расход воды для дробилок составляет соответственно мощности электродвигателя 2,5—5, 6— 8 и 18 м3/ч. На крупных очистных станциях целесообразнее устанавливать измельчители отходов (рис. 2.6). Такой аппарат работает по принципу резания, а потому обладает боль- Рис. 2.6. Измельчитель / — загрузочное отверстие; . 2 — бункер зягрузоч ньій; 3 — подача сточной воды; 4 — корпус из мельчителя; 5 — пластина режущая, неподвижная; 6 —подача смывиоП воды; 7 — илэнка ре жуш.ая ка вращающемся блр-iCuuic; 8—(Іапабап 9 — Отверстие ДЛЯ ВЬ.ГРУЗКИ И 't::'\aL4Cl!tf'.i\ ОГ бросов; 10 — стенк; t шчлі- я; // —вь,0(,ос '.'і: дробимый отбросої!; /2 — ;ц:міаісль — рі.-д^. лтер U — решетка перфорированная ТАБЛИЦА 2.2. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕШЕ1СК ТИПА МГ (r.v. рис. 2.4) Показатели Расчетный расход, м3/с Число решеток: для МГ-7Т (размер 800 X ХІ400 мм)— @ = 0,39 м2 и <7=0,31 м3/с для МГ-ПТ (размер ЮООх Х1600 мм) — @=0,57 м2 и <7=0,45 м3/с для МГ-8Т (размер 1400Х Х2000 мм)—@ = 0,74 м2 и <?=1 ма/с для МГ-6Т (размер 2000Х Х2000 мм)— @=1,25 м> и <?=1,52 ма/с Количество отходов, снимаемых с решеток: в ма/сут » т/сут (при y = 750 кг/ма) Количество отходов, подаваемых на дробилки в 1 ч (при коэффициенте часовой неравномерности поступления Кч= = 2),т Число дробилок производительностью, кг/ч: 50—100 300—600 1000 Расход воды, подаваемой к дробилке (при расчете 40 м3 на I т отбросов) м3/ч Число контейнеров вместимостью 0,8 м3 при вывозе отходов 1 раз в сутки Пропускная способность очистной станини. 25—35 0,4—0,53 2/1 — — 1 — 1,4 1,1 0,09 1/- . 3,6 3 50 0,72 3/1 2/1 — 2 1,5 0,13 1/1 — 5,2 4 70 0,96 — 2/1 — - 2,8 2,1 0,1ь 1/1 7,2 — 100 1,36 — 3/1 2/1 — 4 3 0,25 1/1 - 10 — 140 1,87 — — 2/1 „ 5,6 4,2 0,35 — 1/1 14 — ¦200 2,68 — — 3/1 2/1 8 6 0,5 — 1,1 1,1 20 — ¦,І8О :і, 76 — — — 3/1 4,2 8,4 0,7 — — 1/1 28 — Примечания; 1. Перед чертой указано число рабочих решеток и дробилок, за чертой — число резервных. 2. Пропускная способность решеток определяется при скорости потока 0,8 м/с. 42
Гілан Рис. 2.7. Здание решеток для станций очистки сточных вод пропускной способностью 1,4—7 тыс. ма/сут Помещения; / — электрслцитовая; // — зал решеток; ///—вентиляционная камера. Устройства: 1 — таль ручная передвижная червячная; 2 — контейнер для мусора; 3 — решетки механические унифицированные типа РМУ-1; 4 — ось насоса центробежного с электродвигателем; 5 — бачок циркуляционный; 6 — вакуум-насос с электродвигателем; 7 — кран подвесной; 8 — тележка для контейнеров; 9 — затворы щитовые шим эффектом измельчения, чем молотковая дробилка. Измельчители с автоматическим выбросом недробимых элементов производительностью 1 и 2 т/ч типа И-300 предназначаются для измельчения отходов, задерживаемых на канализационных очистных станциях пропускной способностью 0,5—1 млн. ма/сут. Измельченные или дробленые отходы отводятся в канал перед решетками или направляются в имеющиеся на очистной станции метантенки для сбраживания. При использовании измельчителей достигается технико-экономический эффект вследствие уменьшения энергоемкости. Типовые здания решеток разработаны для небольших очистных канализационных станций пропускной способностью 1,4; 2,7; 4,2; 7 тыс. м3/сут с установкой двух решеток марки РМУ-1 (рис. 2.7.). Здание решеток входит в состав станций механической очистки сточных вод. Сточная вода поступает в здание решеток по подводящим каналам. Крупные отходы остаются на стержнях решетки, перекрывающей сечение канала. Отходы периодически удаляются граблиной и сбрасываются в контейнер. Заполненные контейнеры устанавливаются краном на тележку и вывозятся из здания, а затем с помощью монорельса и тали перемещаются на автомобиль. В здании предусмотрена установка насоса для гидроэлеватора песколовок, который работает периодически и запускается в работу с помощью вакуум-насоса. Типовые проекты зданий решеток с тремя механическими решетками типов РМУ-2—РМУ-5 (902-2-367.83) разработаны ЦНИИЭП инженерного оборудования. Здания решеток выполнены в следующих вариантах: для типов РМУ-2 и РМУ-3 пропускной способностью соответственно 50—80 и 100 тыс. м3/сут с вывозом отходов (рис. 2.8); для типов РМУ-3—РМУ-5 пропускной способностью соответственно 100—140, 140—200 и 200—280 тыс. м3/сут с дроблением отходов (рис. 2.9). 43
A-A План Рис. 2.8, Здание с тремя механическими решетками типа РМ.У-3 для варианта с вывозом отходов Помещения: / — зал решеток; // — комната дежурного; /// — санузел. Устройства: I — кран подвесной электрический; 2 — решеткл механическая унифицированная РМУ-3 размером 1000X2000 мм; 3 — затворы щитовые размером 1000X2000 мм; 4 — контейнеры мусоровоза вмеепшостью 0.55 м3 каждый для пищевых отходов Загрязненная сточная вода подводится по прямоугольным каналам к трем механическим решеткам тина РМУ. Вариант с вывозом отходов выполнен для решеток РМУ-2 и РМУ-3, а вариант с дроблением отходов — для решеток РМУ-3, РМУ-4, РМУ-5. Задержанные решетками отходы горизонтально-наклонным конвейером направляются в дробилку. Разборка отходов с целью отделения включений, не подлежащих дроблению (металл, кирпич и т. д.), производится на конвейерной ленте оператором, для чего оборудуется специальный пост. Дробленые отходы, разбавленные водой, по лотку поступают в канал перед решетками. К установке принято: в-здании решеток с тремя решетками РМУ-3— одна дробилка Д-ЗБ производительностью 0,5 т/ч (резервная дробилка находится в помещении решеток); в зданиях решеток с тремя решетками типов РМУ-4 и РМУ-5—две дробилки производительностью 1 т/ч (одна из них рабочая). В случае выхода из строя конвейера под сбрасывающие устройства 44
k-A ІЕл 21,0 Рис. 2.9. Здание с тремя механическими решетками типа РМУ-3 для варианта с дроблением отходов Помещения: / — зал решеток; f/— комната дежурного; /// — санузел; IV — электрощитовая. Устройства: / — дробилка молотковая чД-ЗБ; 2 — конвейер горпзонталыю-наклоннып шириной 500 мм; Я — решетка механическая унифицированная РМУ-3 размером 1000X2000 мм; 4— кран подвесной ручной грузоподъемностью 2 т; 5 — контейнеры для отходов; 6 — лоток; 7 — затвор щитовой размером 1000X2000 мм; 8 — место для резервной дробилки Рис. 2.10. Решетка-дробилка типа РД решеток устанавливаются контейнеры для отходов. Для ремонта оборудования и подъема контейнеров запроектирован ручной подвесной кран грузоподъемностью 2 т. На каналах любой пропускной способности перед решетками установлены щитовые затворы с электроприводом и после решеток — щитовые затворы без электропривода. Комбинированные решетки-дробилки типа РД я КРД применяются для задержания и дробления отходов без извлечения их из потока сточной воды. Одним из механизмов, с помощью которого осуществляется этот процесс, служит решетка-дробилка РД, выпускаемая заводом «Водмашоборудованне» (г. Воронеж). Принцип действия такой решетки-дробилки заключается в следующем (рис. 2.10.). Сточная вода поступает на вращающийся барабан с 45
?-6 Рис. 2.П. Схемы установки а — решеток-дробилок с резервной наклонной решеткоґ!; б — наклонной ре- шегки с ручной очисткой Плай щелевыми отверстиями. Мелкие фракции отходов вместе с потоком сточной воды проходят через щелевое отверстия внутрь барабана и далее вниз на выход из решетки-дробилки. Крупные фракции отходов задерживаются на перемычках между щелевыми отверстиями барабана (которые составляют как бы круглую решетку) и транспортируются при вращении барабана к трепальным гребням. Измельчение отходов, осуществляемое при взаимодействии поочередно подходящих резцов, которые закрепляются на барабане с режущими кромками трепальных гребней, установленных неподвижно, происходит по принципу работы гильотинных ножниц, а измельчение, осуществляемое при взаимодействии режущих пластин с трепальными гребнями, —по принципу работы параллельных ножниц. Измельченные отходы подхватываются водой и проходят сквозь щелевые отверстия внутрь барабана в общем потоке. В заглубленных зданиях решетки-дробилки РД-100 и РД-200 допус- 46
кается устанавливать на расстоянии не менее 0,25 м от стены. Решетки- дробилки могут быть установлены в открытом канале с изливом сточной воды через сифон в отводящий канал к очистной станции (рис. 2.11). Мосводоканалниипроектом разработаны решетки-дробилки следующих типоразмеров: РД-100, РД-200, РД-400, РД-600 и РД-900. Рекомендации по выбору необходимого типоразмера этих решеток-дробилок и их количества в зависимости от средней пропускной способности канализационных очистных сооружений приведены в табл. 2.3. ТАБЛИЦА Среднесуточная пропускная способность очистных сооружений, м3/сут 12 25 50 100 200 400 700 1400 2700 4200 7000 10 000 17 000 25 000 32 000 40 000 50 000 64 000 80 000 100 000 130 000 160 000 175 000 220 000 280 000 2.3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕШЕТОК-ДРОБИЛОК ТИПА РД Максимальный расход сточной воды. ма/с 0,00044 0,00088 0,00175 0,0034 0,0063 0,012 0,018 0,033 0,059 0,092 0,17 0,194 0,315 0,445 0,556 0,59 0,72 0,903 1,1 1,33 1,73 2,13 2,33 2,92 3,72 (см. рис. 2.10) Тип решетки- дробилкн РД-100 РД-200 РД-400 РД-600 РД-900 Суммарная площадь проходного сече- нг'я щелей в барабане, м2 0,0076 0,019 0,119 0,455 0,8 Число решеток-дробилок рабочих 1 1 1 2 3 1 1 2 3 1 1 1 2 2 3 3 2 3 О 3 4 резервных 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 Скорость движения сточной воды в щелях решетки-дробилки. -м/с 0,058 0,116 0,23 0,46 0,92 0,63 0,45 0,87 1,03 0,77 1,23 0,815 0,885 0,98 1,22 1,3 0,79 0,99 0,8! 0,975 1 0,9 0,9 1,2 1,16 Примечание. В соответствии с требованиями СНиП при числе рабочих решеток- дробилок до трех (включительно) в дополнение к первой резервной, установленной на канале, должна быть в наличии еще одна решетка-дробилка, хранящаяся на складе. Последняя может быть использована в случае, если одна решетка-дробилка находится иа капитальном ремонте, а другая вышла из строя в процессе эксплуатации. В основу табл. 2.3 заложены следующие условия: 1) при установке одной рабочей решетки-дробилки скорость движения жидкости в щелях барабана (при ширине щелей 16 мм) принимается не более 1,3 м/с по максимальному притоку сточной воды (с учетом общего коэффициента неравномерности водоотведения); большие скорости при данной ширине прозоров в решетках приводят к более высокой степени продавливания отходов сквозь щели барабана (в зарубежных решетках-дробилках приняты более высокие скорости, поскольку ширина щелей в них значительно меньше и составляет 8—10 мм); 2) при установке двух рабочих решеток-дробилок скорость движе- 47
Разрез Рис. 2.12. Круглая решетка-дробилка типа КРД / — вращающаяся круглая решетка с горизонтальными щелями; 2 — вращающийся дробильный барабан; 3 — резец; 4 — колонна; 5 — трепальные гребни; 6 — привод дробильного барабана; 7, 10 — электродвигатели; 8 — червячный редуктор; 9 — клиноременная передача; // — рама решет- кк-дроЗилки ния жидкости в щелях барабана принимается не более 1 м/с по максимальному притоку с учетом того, что возможен единовременный выход из строя двух решеток-дробилок (одна находится в капитальном ремонте, а с другой произошла авария); 3) при установке от трех до семи рабочих решеток-дробилок скорость движения жидкости в щелях барабана принимается не более 1,2 м/с по максимальному притоку. Решетка-дробилка круглая типа КРД предназначена для измсльче-
ния канализационных отходов непосредственно в потоке сточной воды. При этом значительно улучшаются условия эксплуатации, исключается ручной труд. Решетка-дробилка КРД по габаритно-установочным размерам заменяет решетку-дробилку РД-600, но она проще в изготовлении, так как режущие элементы располагаются не на большом, а на малом барабане, выполненном из стальной трубы небольшого диаметра. Луцкий экспериментальный завод «Коммунмаш» по чертежам Научно-исследовательского и конструкторско-технологического института городского хозяйства (НИКТИ ГХ) МКХ УССР изготовляет решетки- Дробилки типа КРД (рис. 2.12) со следующими основными характеристиками: пропускная способность 25—40 тыс. м3/сут; скорость движения жидкости в прозорах 0,6—0,9 м/с; ширина Прозоров 16 мм; рекомендуемое сечение подводящего канала 820X735 мм; рабочая высота уровня сточной жидкости в канале до 600 мм; мощность электродвигателя барабана решетки 0,6 кВт при частоте вращения 1450 мин~', частота вращения барабана решетки 1,7 мин'; мощность электродвигателя дробильного барабана 4 кВт при частоте вращения 1000 мин; частота вращения дробильного барабана 294 мин; максимальные размеры агрегата 1295Х990Х 1580 мм (длинаХширинаХвысота); масса 750 кг. Существенное затруднение могут вызывать попадающие к решеткам - дробилкам вместе со сточной водой металлические предметы. Для их удаления в каждом канале перед решеткой предусматривается установка электромагнитного устройства. При поступлении кислых или щелочных сточных вод необходимо перед решетками устанавливать pH-метр, согласно показаний которого корректируют активную реакцию сточных вод. § 9. ПЕСКОЛОВКИ Песколовки необходимо предусматривать для задержания минеральных частиц крупностью свыше 0,2—0,25 мм при пропускной способности станции очистки сточных вод более 100 м3/сут. Число отделений песколовок надлежит принимать не менее двух, при этом все отделения должны быть рабочими. Песколовки рассчитываются на максимальный расход сточных води проверяются на минимальный приток. Тип песколовки необходимо выбирать с учетом пропускйой способности очистной станции, состава очищаемых производственных сточных вод и местных условий строительства. Горизонтальные песколовки с круговым движением сточной воды (рис. 2.13) предназначаются для удаления песка из производственных сточных вод, имеющих нейтральную или слабощелочную реакцию (табл. 2.4). ТАБЛИЦА 2.4. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ПЕСКОЛОВОК С КРУГОВЫМ ДВИЖЕНИЕМ ВОДЫ (см. рис. 2.13) Тип I II III IV V VI VII VIII Пропускная способность ма/оут 1400—2700 2700—4200 4200—7000 7000—10 000 10 000—17 000 17 000—25 000 25 000—40 000 40 000—70 000 л/о 31—56 [56—83 83—133 133—183 183—278 278—394 394—590 590—1070 А 4000 6000 Основные Б 6000 6500 10 000 11 000 в 2000 ¦2500 размеры, мм Г 4700 4350 5000 4850 Л 500 800 1000 1400 1500 1800 ? 300 450 600 600 900 1200 Ж 200 250 300 350 600 900 Отметки, мм И 9,53 9,53 9,43 9,51 9,33 9,14 9,14 9,16 К 9,3 9,28 9,12 9,27 9,08 8,97 8,95 Я, 93 Л 6,55 4.75 М 8,15 7,9 Я 7,8 7,55 4—179 49
Рис. 2.13. Горизонтальные песколовки с круговым движением сточных вод пропускной способностью 1 400—70 000 м3/сут / — гидроэлеватор; 2 —отвод всплывающих примесей; 3 — желоб; 4 — поверхностные чатворы с ручным приводом; 5 ~ подводящий лоток; б — пульпопровод; 7 — подача рабочей жидкости- 8 — камера переключения; 9 — устройство для сбора всплывающих примесей; 10 — отводящий лоток; // — полупогруженные щиты (при очистке иефтесодержащих вод) Сточная вода подводится к песколовкам и отводится от них лотками. Подводящий лоток располагается в насыпи высотой до 5 м. Для выключения песколовок из работы на подводящих и отводящих лотках в распределительной камере устанавливают затворы. Осадок из песколовок удаляют гидроэлеваторами. Подача рабочей жидкости к гидроэлеватору п отвод пульпы осуществляются самостоятельными напорными трубопроводами через камеру переключения, оборудованную задвижками. Для III, V и VII типа песколовок разработано устройство для сбора нефти, позволяющее применять их на пефтесодержащих сточных водах. С целью сокращения количества воды, расходуемой на отмывку песка от нефти, может быть применен напорный гидроциклон (песок отмывается от нефти на 80 %)• Песколовки могут применяться после нейтрализаторов сернокислотных сточных вод в том случае,-если выпадение нерастворимых примесей известкового молока (или молотого известняка) и крупных кристаллических частиц гипса приводит к появлению тяжелых взвешенных частиц, отсутствовавших в водах до нейтрализации. Горизонтальные песколовки с прямолинейным движением сточном волы (рис. 2,14) пропускной способностью 70—280 тыс. м3/сут 50
A -A Рис. 2.14. Горизонтальная песколовка с прямолинейным движением воды / — г:гдроэлег),.тпры- 2 — щитовые затпоры размером 900X1400 мм (электропривод с W=0,6 кВт); 3 -- счреикпвыо мсх,]Ы!змы для удаления ік-ска с электроприводом АО42-ІІ, N=\J ііВт; 4 — щитовые Зіітг-орьі с ручным приводом; 5. 6 — задвижки с электроприводом соответственно D —200 мм, <'*¦-1 МПа и D =250 мм, Р=\ МПа); 7 — подача рабочей воды к гидроэлеваторам (Dv=200 mnt): <S — пульпопровод (D—250 мм)
ТАБЛИЦА 2.5. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ С ПРЯМОЛИНЕЙНЫМ ДВИЖЕНИЕМ Показатели ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ВОДЫ (см. рис. 2.14) ПЕСКОЛОВОК При пропускной способности очистной станции, тыс. мэ/сут 70 100 140 '200 | МО Расчетный расход q, мэ/с ...... Число песколовок п . . . . і . . . Размеры песколовки: сечение (a = q!v*n, м3 длина L=1000 kvHр/иа, м при гидравлической крупности частиц, ы0, мм/с: 18,7 (при *=1,7) 24,2 (при ft = l,3) глубина Ну,, м ширина Ь, м Количество перекачиваемого из песколовок осадка влажностью 60 % и у= «=1,5 т/и3 в 1 сут: В Ms » т Количество подаваемой рабогея жидкости, мэ/сут Продолжительность хранения песка в бункерах (вместимостью 5 м3), сут, при установке бункеров: двух четырех • «=0,3 м/с 0,97 2 1,62 15,8 13 0,58 3 3,2 4,8 160 1,36 3 1,54 15,4 12,4 0,55 3 4,5 6,8 225 1,87 4 3,02 18,2 16,3 0,67 3 6,4 9,6 320 2,68 3 2,9 17,7 15,6 0,65 4,5 9 13,6 450 3,76 4 3,02 18,2 16,3 0,67 5 12,8. 19,2 640 1 ,6 (табл. 2.5) эксплуатируются на ряде канализационных станций аэрации. Скорость движения сточных вод составляет при максимальном расходе 0,3 и при минимальном 0,15 м/с. Эксплуатация показала, что эти песколовки работают эффективно при выравнивании средних скоростей по их длине. Это достигается применением одиночных плоских решеток у входного устройства, выполненных из деревянных стержней шириной 15 см с прозорами 6 см. Решетки, устанавливаемые на расстоянии 1,2 м от входа, для удобства эксплуатации свободно качаются в потоке и легко снимаются. В песколовках с решетками такой конструкции увеличивается нагрузка по воде путем повышения скорости потока при сохранении эффективности задержания песка. Аэрируемые песколовки применяются для выделения содержащихся в сточной воде минеральных частиц гидравлической крупностью 13— 18 мм/с. Скорость движения сточных вод составляет 0,08—0,12 м/с при максимальном притоке. Типовые проекты аэрируемых песколовок разработаны ЦНИИЭП инженерного оборудования на два, три и четыре отделения шириной по 3 и 4,5м и длиной 12 м (рис. 2.15). При применении 3-метровой вставки д;;ина песколовки может быть увеличена. Расчетная пропускная способность аэрируемой песколовки шириной 4,5 м на три отделения составляет 200—240 тыс. м3/сут сточных вод (по типовому проекту 902-2-374.83), а на четыре отделения—240—280 тыс. ма/сут (по типовому проекту 902-2-375.83). Подвод сточной воды к песколовкам и отвод ее осуществляются открытыми лотками. Для системы аэрации используется воздух от насосно-воздуходувной станции. Осадок смывается в бункер песколовки гидромеханической системой, включающей продольный лоток и трубопроводы со спрысками; осадок из бункера удаляется с помощью гидррэлеватора. Для систем гидросмыва и гидроудаления используется техническая вода. Управление работой систем автоматизировано. 62
План План осгппбка - . 3,0 Рис. 2.15. Типовая горизонтальная аэрируемая песколовка на четыре отделения / — воздуховоды; 2—аэраторы; 3 — щігтоиоіі затвор; 4 — лоток для отвода воды; 5 — трубопровод для гидросмыва; 6 — бупкер для песка; 7 — гидроэлеватор; в — лоток для подвода воды; 9 — колодцы для сбора плавающих веществ Аэрируемые песколовки (табл. 2.6) выполняются в виде горизонтальных резервуаров. ТАБЛИЦА 2.8, ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АЭРИРУЕМЫХ ПЕСКОЛОВОК (см. рис. 2.15) Пропускная способность, тыс. м'/сут 70 100 140 200 280 Число отделении 2 3 " 2 3 4 Размеры, м ширина стде- ления В 3 h 4,5 4.5 глубина h 2,1 2,1 2,8 2,8 2,8 длина 1 12 12 18 18 18 Отношение B/h 1,34 1,34 1,5 1,5 1,5 Расход воздуха на аэрацию, м'/ч, при ее интенсивности 3 м'/(м2-ч) 200 300 460 690 920 Вдоль одной из стенок на расстоянии 45—60 см от дна по всей длине песколовки устанавливают аэраторы, а под ними устраивают желоб для песка. В поперечном сечении днищу придают уклон i = 0,2-r-0,4 к центральному лотку для самотечного отведения в него песчаной массы. На станциях средней п большой пропускной способности, оборудованных горизонтальными песколовками с механическим удалением осад- 53
V7777777777777/ Рис. 2.16. Схема гидромеханического удаления песка (с его отмывкой) из горизонтальной песколовки / — песколовка; ?—насос; 3 — смывкой трубопровод со спрысками; 4 — гидроэлеватор; S — пульпопровод; 6 — бункер для песка; 7 — гидроциклон; 8 — трубопровод для отвода воды из гидроциклона ка, целесообразно осуществлять рециркуляцию при наполнении в песколовке, равном @,8-н0,9)Х Х^гасч- Рециркуляция осадка в горизонтальных песколовках снижает количество органических примесей на 19—38 %¦ При зольности осадка до рециркуляции 70—85 % получается осадок с зольностью 85—90 %. Регулирование нагрузки на отделения песколовки позволяет автоматически поддерживать скорость потока сточной воды в заданных пределах. Такая схема осуществлена на основе использования системы автоматизированного контроля уровня воды в подводящих каналах как функции количества поступающих на очистные сооружения сточных вод. В зависимости от характера электроконтактного поплавкового уровнемера автоматически регулируется степень открытия электрп-' фицированных задвижек на подводящих каналах. Автоматическое удаление песка из песколовок может производиться двумя путями: 1) по мере накопления и достижения им заданного уровня; 2) через определенные интервалы времени, выявленные на основе эксплуатационного опыта. Продолжительность удаления песка или его объем принимаются также на основании опыта эксплуатации песколовок. Управление данной технологической операцией осуществляется с помощью реле времени. Гидромеханическое удаление песка с его отмывкой (гидросмыв; рис. 2.16) в горизонтальных песколовках рекомендуется вместо применяющихся скребковых механизмов цепного или тележечного типа, которые имеют сложную конструкцию, металлоемки и требуют частого ремонта. При перемещении осадка в песколовке используется энергия потока смывной воды. Такая гидромеханическая система обеспечивает эффективный смыв осадка в бункер песколовки без взмучивания и дополнительного выноса осадка с водой, что объясняется движением осадка и 54 Рис. 2.17. Схема тангенциальной песколовки со шнековым пескопромывателем
промывной воды только в придонном слое сооружения, а также возвратной циркуляцией воды в песколовке. По дну сооружения в продольном направлении по всей длине устраивается один или несколько Песковых лотков прямоугольного или трапецеидального сечения. Глубина лотка принимается не менее двух диаметров смывного трубопровода, его ширина составляет 0,4—1,2 м. По дну каждого пескового лотка укладывается смывной трубопровод, имеющий с двух сторон через 0,2—0,5 м спрыски, направленные вдоль пескового лотка в сторону бункера. Расход подаваемой насосами технической воды для гидросмыва Qrc, м3/с, определяется по формуле Qrc = vF=vlb, B.1) где v — восходящая скорость смывной воды в лотке, принимаемая равной 0,0065 м/с; F — площадь пескового лотка в плане, м2; I — длина пескового лотка, определяемая как разность длины песколовки и диаметра песковой камеры, м; Ь—ширина пескового лотка, обычно равная 0,5 м. Расход промывной воды на один песковой лоток составляет 30— 100 л при напоре 4—6 м и продолжительности смыва 1—3 мин. Приямок для песка рекомендуется выполнять круглым в плане с тангенциальным присоединением к нему Песковых лотков. Угол наклона ете.чок приямка принимают не менее Єг'°. Осадок, удаляемый из приямка гмдроэлеваторами, направляется на напорные гпдрсцкк.г:О!;ь', пспользуемке для отмывки песка от органических примесей. После гидроцшсломоБ получается осадок зольностью Ь4—SS % и влажность^ 21—23 %. Гидроциклоны обычно устанавливается над бункером отмытого пес- і;а, сыгружаемого в автотранспорт. Вода из гидроциклонов вместе с отмытыми органическими веществами отводится в головные очистные сооружения. С внедрением гидросмыЕа улучшаются условия труда обслуживающего персонала и облегчается эксплуатация песколовок. Отмытый песок может быть использован в строительстве. • Удаление песка из песколовок допускается предусматривать гидро- элеваторамн и Песковыми насосами. Песколовки тангенциальные со шнековым пескопромывателем. Работа таких песколовок основана на качественно новом принципе. Сточная вода подается в песколовку тангенциально, в результате чего возникает ее вращательное движение. Песок, содержащийся в сточной воде, прижимается к ст'нхам сооружения за счет центробежной силы и отделяется от воды в результате образующегося нисходящего течения. При скорости движения сточной воды в подающем лотке 0,7— 1,1 м/с задерживается примерно 92—98 % содержащегося в сточной воде песка с гидравлической крупностью 18—24 мм/с. Отвод воды из песколовки центральной телескопической трубой еше более интенсифицирует отделение песка путем возникновения водяной воронки вокруг приемного отверстия трубы. Отмыв песка от органических примесей производится в процессе его удаления в шнековом пес- копромывателе (рис. 2.17). Оптимальная работа шнекового пескопромывателя диаметром 200— 300 мм обеспечивается при частоте вращения шнека 10—30 мин-1, угле его наклона к горизонтальной поверхности 20—45° и расходе промывной воды 0,1—0,13 л/л обрабатываемого осадка. Осадок, прошедший обработку, содержит 88—94 % песка, осадок с у= 1,8ч-1,9 т/м3 имеет влажность до 30 %; органические примеси практически отсутствуют. Расчет необходимого диаметра тангенциальных песколовок производится по нагрузке на единицу площади сооружения в плане, принимаемой равной до 110 м3/(м2-ч). На небольших станциях нагрузка на тангенциальные песколовки может быть снижена до 60—80 м3/(м2-ч). 55
А-А Глубина.песколовки конструктивно принимается равной половине ее диаметра, а диаметр — не более 6 м. Размеры пескового бункера определяются исходя из частоты выгрузки и количества улавливаемого песка. Представляется возможным изготовлять такие песколовки в мастерских или на заводах с последующим их монтажом на месте строительства. Бункера, площадки и аппараты для обезвоживания песка. Поскольку песок из песколовок перемещается по трубопроводам с большим объемом воды, его необходимо обезвоживать. Для этого устраивают бункера, песковые площадки или накопители песка, обычно располагаемые вблизи песколовок, или применяют гидроциклоны, в которых при промывке песка происходит и его обезвоживание. На станциях пропускной способностью до 70 тыс. м3/сут для обезвоживания песка рекомендуются бункера (рис. 2.18), приспособленные для погрузки песка в автотранспорт. Бункера рассчитывают на 1,5—5-суточное хранение песка; их располагают как вне здания, так и в здании в зависимости от климатических условий. Во избежание замерзания песка при расположении бункеров вне здания предусматривается обогрев бункеров горячей водой. Для промывки песка применяют напорные гидроциклоны диаметром 300 мм с напором пульпы перед ними, равным 20 м. Песковые площадки устраивают с ограждающими валиками высотой 1—2 м. Размеры площадок принимают из условия нагрузки на них до 3 м3/(м2-год) с периодической выгрузкой подсушенного песка. Допускается применять накопители. Высота слоя напуска песка в накопителе составляет до 3 м/год. Воду с площадок и из накопителей удаляют через камеры с водосливами с переменной отметкой порога и перекачивают в канал перед песколовками или направляют в резервуар местной насосной станции с последующей перекачкой на очистные сооружения. Для обезвоживания песка могут применяться также напорные гидроциклоны и обезвоживающие горизонтальные шнековые центрифуги типа ОГШ. Улучшение качества песка достигается применением классификаторов. При автоматизации работы песколовок целесообразно предусмотреть передачу на пульт управления следующих сигналов: о состоянии агрегатов для удаления песка (в работе, остановлен, авария); о положении задвижек (открыта, закрыта), а также уровня накопления песка сверх допустимого предела. Рис. 2.18. Бункера для песка 1 — подвод воды в систему отопления; 2 —отвод воды из системы отопления; 3 — затвор с электроприводом; 4 — теплоизоляция; 5 — бункер; 6~ гидроциклои; 7 — подвод пульпы к гидроциклонам; Я — отвод воды от гидроциклонов; 9 — отвод сточной воды в канализацию 56
§ 10. УСРЕДНИТЕЛИ Усреднители предназначаются для регулирования состава и поступления сточных вод на очистные сооружения. Поступление на очистные сооружения производственных сточных вод с постоянным расходом и усредненной концентрацией загрязнений создает ряд преимуществ. К ним относятся: повышение эффективности как механической, так и последующих физико-химической и биологической очистки сточных вод. В результате этого достигаются более высокие качественные показатели очищенной воды. Экономический эффект получается в связи с выравниванием пиковых расходов сточных вод, поступающих на очистку. Введение в комплекс очистных сооружении резервуаров-усреднителей избыточного количества сточных вод позволит продлить срок службы очистных сооружении, которые без этого могли бы периодически перегружаться и выходить из строя. Регулирование расхода и концентрации загрязнений производственных сточных вод можно обеспечить несколькими путями. На рис. 2.1 показано расположение в составе комплекса очистных сооружений резервуаров-усреднителей. Такие резервуары могут располагаться на основном канале сточных вод перед отстойниками; в этом случае все сточные воды проходят через усреднитель. Иногда усреднители устанавливают на боковые линии параллельно основному технологическому каналу и в них отводят лишь избыточный (сверхрасчетный) расход сточных вод. В обоих случаях применением системы регулирования достигается снижение расчетных расходов сточных вод до среднесуточного уровня. Применение усреднителей, выравнивающих пиковые расходы и концентрации сточных вод, позволяет разработать более экономичные очистные сооружения, так как при этом для' расчета принимаются усредненные данные. В настоящее время применяются d основном усреднители, действующие по принципу дифференцирования потока, и усреднители с перемешиванием поступающей сточной воды. Принцип работы усреднителя с дифференцированием потока сточных вод (конструкция ВНИИ ВОДГЕО, рис. 2.19) следующий. Сточная вода через окна, расположенные в распределительных лотках, поступает в коридоры усреднителя и собирается затем в диагональный сборный лоток. Эффективность усреднения по концентрации достигается в этом случае за счет разного времени добегания отдельных порций сточной во- А-А §_Б S 9 . . .-Де-—' !*Й^" 10 Рис. 2.19, Усреднитель прямо, угольной формы с дифференцированием потока сточных вод / — подача сточных вод; 2 — деревянная диагональная перегородні и сборный желоб; 3 — деревянные перегородки; 4 — отвод воды; 5 — желоб для подачи сточных вод; 6 — распределительный колодец; 7—шибер;( 8—настил; 9 — плавающий рукав; ю — дырчатые воздуховоды 57
$65 — — 0,0 — — - Рис. 2.20. Усреднитель концентрации загрязняющих веществ в сГочных водах барбо- тажиого типа (блок из трех секций) /, 2 — лоток соответственно подводящий и отводящий; 3 — трубопровод для опорожнения секций усреднителя; 4—барботеры; 5 — лотки распределительные; 6—трубопривод подачи воды для взмучивания осадка в лотках; 7 — трубопроводы для опорожнения каналов; S — воздуховод; 9, 11 — капал соответственно нижний н верхний; 10 — затворы щитовые ды К сборному лотку. Расчет усреднителя производится в соответствии с требованиями СНиП. Для усреднения сточных вод по концентрации загрязнений в усреднителях вода может перемешиваться с помощью мешалок, насосов и др. Наиболее удобными в эксплуатации являются перфорированные трубчатые барботеры, особенно из некорродирующих материалов (например, из полиэтилена). Строительный материал для усреднителей выбирают с учетом химического состава сточных вод. При наличии в производственной сточной воде взвешенных веществ барботеры должны препятствовать их осаждению. При перемешивании с помощью сжатого воздуха интенсивность аэрации зависит от концентрации взвешенных веществ и их гидравлической крупности и изменяется в пределах от 5 (до 12 м3/ч на 1 м барботера. 58
Усреднитель барботажного типа (рис. 2.20) предназначен для выравнивания концентраций загрязнений производственных сточных вод и представляет собой прямоугольный резервуар, состоящий из ряда параллельно работающих секций. Деление общего потока усредняемой сточной воды на секции и блоки осуществляется камерами. Сточная вода поступает в распределительные лотки, оборудованные зубчатым водосливом для равномерного распределения воды по длине секции усреднителя. На дне секции уложены барботеры, по которым подается сжатый воздух для перемешивания сточных вод. В типовом проекте разработаны отдельно стоящая секция усреднителя, блок из двух секций, камеры даух типов и подводящие лотки к секциям и блокам. Предусмотрена антикоррозионная защита секций, камер и лотков от воздействия агрессивных сточных вод. Максимальная пропускная способность секции размером ?X^X^ — = 6X12X5 м составляет 190 м3/4 ПРИ минимальной продолжительности пребывания сточной воды в усреднителе 1,7 ч. Соответствующей компоновкой секций и блоков можно получить усреднители суммарной вместимостью 600, 900, 1200, 3503, 1800 м3. Для усреднения можно применять радиальный отстойник-усреднитель с непрерывным удалением осадка, сконструированный во ВНИИ ЕОДГЕО. В этом отстойнике ссзыещены процессы отстаивания и усреднения произЕЭдственпой сточкой воды по концентрации загрязнений. Диаметр отстойника-усреднителя 40 м, пропускная способность 1125 м-ум, продолжительность усреднения 4 ч, частота вращения фермы с распределительным желобом 2—4 ч~'. Усреднение и распределение сточкой жидкости осуществляется с помощью подвижного распределительного лотка, вращающегося вместе с фермой вокруг центра отстойника. Спиральный скребок, передвигаясь по днищу отстойника, сгребает осадок и перемещает его к центру в донный желоб. Усреднение сточных вод по расходу может быть достигнуто, если выпускную камеру и резервуар усреднителя оборудовать сборным устройством специальной конструкции. При конструировании этого устройства верхний и нижний концы трубы перекрываются плитами и перегородкой; в верхней плит-е устраивается сливное устройство; в сливном отверстии свободно перемещается клапан переменного сечения, соединенный тросом с поплавком. Расчетная величина усредненного расхода выпускаемой воды достигается изменением положения клапана переменного сечения. Поплавок, обеспечивающий нужное положение клапана, конструируется исходя из его размеров и массы. Размеры выпускной камеры определяются условиями эксплуатации. Вместимость усреднителей определяется в соответствии с графиками притока сточных вод и колебаний концентрации загрязнений в них. По этим графикам устанавливается период, в пределах которого наблюдается превышение допустимой концентрации. По суммарному притоку сточной воды за это время предварительно подбирается вместимость усреднителя и число типовых секций, а также проверяются скорости продольного движения воды в секциях. Правильность принятой вместимости оценивается проверочным расчетом концентрации загрязнений на выходе из усреднителя, которая в любой расчетный отрезок времени не должна превышать допустимую. Применительно к режимам водоотведения красильно-отделочных фабрик вместимость усреднителей соответствует обычно 4—8-часовому притоку производственных сточных вод. Б9
§ 11. ПЕРВИЧНЫЕ ОТСТОЙНИКИ И ПРОЧИЕ СООРУЖЕНИЯ для механической очистки Первичные отстойники Выбор типа и конструкции отстойников зависит от количества и состава производственных сточных вод, поступающих на очистку, характеристик образующегося осадка (уплотняемость, транспортируемость) и от местных условий строительной площадки очистных сооружений. В каждом конкретном случае выбор типа отстойников должен определяться в результате технико-экономического сравнения нескольких вариантов. Число отстойников следует принимать не менее двух, но и не более четырех, идя по пути увеличения габаритов отстойников, так как стоимость единицы объема крупногабаритных отстойников меньше, чем малогабаритных. Для расчета отстойников необходимы следующие данные. 1. Количество сточных вод Q, м/3с, по максимальному притоку. 2. Концентрация взвешенных веществ Сі, мг/л, тяжелых и легких (масла и нефтепродукты) механических примесей. 3. Требуемая степень очистки, или допустимое содержание взвешенных веществ в осветленной воде Стр, мг/л, принимаемое в соответствии с санитарными нормами или обусловленное технологическими требованиями (например, при расчете первичных отстойников, располагаемых перед аэротенками, на полную очистку или биофильтрами, когда Стр должно быть равным 100—150 мг/л). 4. Гидравлическая крупность частиц, которые необходимо выделить для обеспечения требуемой эффективности очистки Этр, равной 50— 98%. 5. Гидравлическая крупность, определяемая по кривым кинетики отстаивания 3=f(t), которые получены в лаборатории в статических условиях при высоте слоя отстаивания h\^200 мм или fi2(Ah = h2—h^ ^200 мм). Для приведения полученной величины к слою, равному высоте слоя потока воды в отстойнике, производится перерасчет по формуле где Н — глубина проточной части в отстойнике, м; К — коэффициент использования объема в отстойнике, равный в первом приближении коэффициенту использования объема отстойника выбранной конструкции (см. далее табл. 2.9); 1\—продолжительность отстаивания в лабораторном цилиндре при высоте слоя Аь в течение которого достигается требуемый эффект осветления; п — коэффициент пропорциональности, зависящий от агломерируемое™ взвешенных веществ в процессе осаждения, определяемый при h\>hi по формуле я= '^-'^ ; B.3, lg К - lg h2 здесь hi, hi — высота слоев отстаивания в лабораторных условиях, мм; і і, tu— продолжительность отстаивания в соответствующих слоях, при которой достигается требуемый эффект отстаивания, с. В случае когда температура сточной воды в производственных условиях отличается от температуры сточной воды, при которой определялась кинетика отстаивания, необходимо вводить поправку ыо = —а, B.4) где [іл, fAn — вязкость воды при соответствующих температурах в лабораторных и производственных условиях; и — гидравлическая крупность частиц, полученная по формуле B:2). Вертикальные первичные отстойники предназначены для осветления бытовых ,и близких к ним по составу производственных сточных вод (а также их смеси), содержащих грубодисперсные примеси. 60
Вертикальный отстойник с нисходяще-восходящим потоком сточной воды (НИКЛИ ГХ МКХ УССР) представляет собой круглый резервуар с периферийным лотком для сбора осветленной воды. Пропускная способность вертикального отстойника диаметром 9 м при начальной концентрации взвешенных веществ 300 мг/л, степени осветления 50 % и минимальной температуре сточной воды 20°С составляет 196 м3/ч. Сточная вода поступает через подающий лоток в водораспределительный лоток отстойника, расположенный на внутренней стороне полупогружной цилиндрической перегородки, которая делит площадь отстойника на две равные части. Глубина погружения перегородки равна 2/з рабочей высоты отстойника. Водораспределительный лоток имеет зубчатый водослив. По мере продвижения от перегородки к центру сточная вода опускается вниз, распределяясь по всему сечению внутренней цилиндрической части отстойника. Всплызающие вещества собираются у воронки для сбора плавающих веществ и периодически удаляются в иловый колодец при поднятии уровня воды в отстойнике. Интенсивное разделение жидкой и твердой фаз происходит на повороте потока в нижней части отстойника. Далее сточная вода движется в вертикальном направлении в пространстве между перегородкой и стенкой отстойника, где также происходит осаждение взвешенных веществ. Дойдя до верха отстойника, осветленная вода изливается через зубчатый водослив в водосборный кольцевой лоток и отводится из отстойника. Осадок удаляется под гидростатическим давлением по нловой трубе в иловый колодец. В отстойнике обеспечивается значительное снижение скорости нисходящего потока, что способствует эффективному осаждению взвешенных веществ. Уменьшение циркуляции ведет к увеличению коэффициента использования объема отстойников до 0,65. Вертикальный отстойник этого типа увеличивает степень задержания взвешенных веществ до 60—70 % или при сохранении степени осветления обычного вертикального отстойника увеличивает пропускную способность примерно в 1,5 раза. Типовые проекты (902-2-354 — 902-2-360) разработаны Союзводока- налпроектом для вертикальных первичных отстойников диаметрами 4,5; 6 и 9 м из сборного и монолитного железобетона пропускной способностью 43, 87 и 196 м3/ч. На рис. 2.21 показана группа отстойников Д=9 м. Горизонтальнее первичные отстойники применяются в составе станций очистки бытоных и близких к ним по составу производственных сточных йод н предназначены для выделения взвешенных веществ из вод, прошедших решетки и песколовки. Проекты отстойников этого типа разработаны ЦНИИЗП инженерного оборудования на 4,'6 и 8 отделений шириной по 9 м, длиной 24 и 30 м с глубиной зоны отстаивания 3—4 м. Расчетный объем отстойников на четыре отделения составляет 3200 м3 (рис. 2.22), а пропускная способность 2130 м3/4 (при продолжительности отстаивания 1,5 ч). Сточные воды поступают в отстойники из распределительного аэрируемого лотка, проходят впускной лоток, и отводятся сборным лотком с двусторонним водосливом. Осадок сгребается в иловый приямок скребковым механизмом и удаляется плунжерными насосами. Плавающие вещества собираются скребковым механизмом при обратном ходе и удаляются^, конце отстойника через поворотную трубу с щелевидными прорезями. Поступившие в сборный колодец плавающие вещества откачиваются для совместной обработки с осадком. Отстойники этого типа применяют для очистных станций с пропускной способностью 20 тыс. м3/сут и более (табл. 2.7). Механизм для сгребания осадка в горизонтальных отстойниках (рис. 2.23) представляет собой балку трубчатого сечения, которая уставі
План Рис. 2.21 Первичные вертикальные отстойники с нисходяще-восходящим потоком диаметром 9 м 1 — трубопровод для удаления плавающих веществ; 2 — трубопровод для удаления осадка; 3 — приемная воронка для отвода плавающих веществ; 4 — периферийный лоток для сбора осветленной воды; 5—зубчатый водослив; б — кольцевая полупогружная перегородка; 7 — отстойник; 8 — подающий лоток или трубопровод; 9 — приемная камера;' 10 — отводящий трубопровод; 11 — сборник осадка и плавающих веществ 62
10 Л Рис. 2.22. Первичный горизонтальный отстойник конструкции ЦНИИЭП инженерного оборудования ;, 2 — соответственно распределительный и подающий лоток; 3 — скребковый механизм; 4 — сборный лоток; 5 — отводящий трубопровод; 6 — камера иасосов для отвода всплывающих примесей; 7—аварийный сброс; 8 — трубопровод для подачи активного ила на разбавление всплывающих примесей; 9 — трубопровод для опорожнения отстойников; 10 — трубопровод для отвода сырого осадка; //— подача сточной воды на очистку; 12 — воздуховод новлена на две тележки, двигающиеся непосредственно по бетонному борту отстойника. К балке крепится скребок маятникового типа. Возвратно-поступательное движение механизма осуществляется с помощью ТАБЛИЦА 2.7. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТИПОВЫХ ПЕРВИЧНЫХ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ОТСТОЙНИКОВ (см. рнс. 2.22) Показатели При пропускной способности очистной станции, тыс. м'/сут 25 100 Расчетный расход, м3/ч Пропускная способность, мэ/ч, при продолжительности отстаивания 1,5 ч Размеры, м: длина ширина Число отстойников Фактический объем, м3 Номер типового проекта 1400 1160 24 6 4 1740 902-2-305 1900 1740 24 6 6 2610 902-2-304 2600 2130 30 9 4 3200 902-2-240 3500 320О 30 9 6 4800 902-2-241 4900 4260 30 9 8 6400 901-2-242 63
Рис. 2.23. Механизм с канатным приводом для сгребания осадка в горизонтальных первичных отстошшках / — канат; 2 —балка; 3 —тележка; 4 — динамометр; 5 — скребок; 6 — электропривод редукторного привода. Электродвигатель через зубчатую передачу передает крутящий момент .рикционным барабанам, которые передвигают механизм по двум направляющим канатам. Для изменения скорости передвижения механизма предусмотрены сменные шестерни. Запасов- ка канатов производится через систему блоков. Для отключения привода при обрыве каната имеются концевые выключатели, установленные на динамометрах. В крайних положениях хода механизма устанавливаются концевые выключатели, с помощью которых изменяется направление вращения привода и движение механизма, имеющего реверсивный ход. По сравнению с типовыми скребки с канатным приводом имеют следующие преимущества: отсутствие дефицитных цепей; значительное снижение металлоемкости (в 3 раза); наличие стационарного привода, обеспечивающего надежный токоподвод, простота изготовления, удобство монтажа и эксплуатации. Техническая характеристика отстойника со скребками маятникового типа Габариты отстойника, м: длина 30 ширина . , У глубина 3,8 Скорость движения скребкового механизма, м/мин 1,8 Мощность электропривода, кВТ 0,и Масса, кг ». 2200 Первичные отстойники с указанными скребками запроектированы Союзводоканалпроектом и введены в состав очистных сооружений Ульяновского промышленного комплекса. Исследования показывают, что прямоугольные горизонтальные отстойники более предпочтительны, чем круглые. Прямоугольные отстойники имеют определенные преимущества в случае, когда их число достигает двух или более, и они имеют общую стенку. В таких отстойниках можно осуществить более быстрое удаление осадка. Известно, что быстрое удаление осадка важно для равномерной и эффективной работы 64
Б-В 1-І, и l-f-H I I I I І-++-І I II I I I 1 I I I I I I I I I I ( I I Рис. 2.24. Первичный горизонтальный отстойник для сточных вод заводов синтетического каучука У — распределительная камера; 2 — иловые кололиы; 3 — электропривод; 4 — скреиковые траво иортеры; й — отьодяшие —'-- очистной станции, и в связи с этим выбирают чаще прямоугольную форму отстойников в плане. В них отсутствуют подвижные механизмы, находящиеся под водой. Необходимая площадь земельного участка для прямоугольных отстойников меньше, чем для круглых. На рис. 2.24 представлен первичный горизонтальный отстойник, предназначенный для выделения оседающих и всплывающих примесей из производственных сточных вод заводов синтетического каучука (СК). Эти сточные воды содержат взрывоопасные вещества и имеют нейтральную или слабощелочную реакцию. Пропускная способность отстойников определяется при продолжительности отстаивания 2 ч. Отстойник представляет собой прямоугольный железобетонный проточный резервуар, состоящий из четырех параллельно работающих секций. Сточная вода равномерно распределяется через лоток с двусторонним переливом, после чего поступает в отстойную часть, в конце которой находится лоток для сбора осветленной воды. Для равномерного распределения сточной воды по секциям отстойника применяется распределительная камера. Всплывающие вещества собираются в приемный лоток и отводятся для обезвоживания и утилизации. В тех случаях когда отстаивание сточных вод производства СК в отстойниках указанного типа неэффективно, следует применять отстойники с повышенной эффективностью путем установки в них трубчатых или полочных блоков —тонкослойные отстойники, работающие с увеличен- Li... нагрузкой. Радиальные первичные отстойники с центральным впуском воды применяются для очистки бытовых и близких к ним по составу производственных сточных вод (табл. 2.8). 5-179 65
A-A Рис. 2.25. Группа первичных радиальных отстойников диаметром 30 м с центральным впуском / — распределительная чаша; 2 — отстойники; 3 — насосная станция перекачки сырого осадка; 4 — жиросоорник. Трубопроводы: 5 — сырого осадка; 6 — промывных вод; 7 — жиропровод; а — воздуховоды ТАБЛИЦА 2.8. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТИПОВЫХ ПЕРВИЧНЫХ РАДИАЛЬНЫХ ОТСТОЙНИКОВ С ЦЕНТРАЛЬНЫМ ВПУСКОМ ВОДЫ (см. рис. 2.25) Показатели Расчетный расход, м3/ч Пропускная способность, м3/ч, при продолжительности отстаивания 1,5 ч Днаметп, м Число отстойников Фактический объем, м3 Фактическая продолжительность отстаивания, ч Номер типового проекта При 25 1400 1575 18 3 2360 1,7 пропускной способности очистной станции, тис. м3/сут 35 1900 2100 18 4 3100 1,7 902-2-83/76 50 2600 2790 24 4200 1,6 7U 3500 3720 24 4 5600 1,6 902-2-84/75 100 4900 5840 30 4 8760 1,8 902-2-378-83 140 6700 9162 40 3 13 750 2,1 200 9600 12 216 40 4 18 300 1,9 902-2-379-83 В состав комплекса радиальных отстойников диаметром 30 м входят насосная станция, распределительная чаша и два жиросборника (рис. 2.25). В здании насосной станции (рис. 2.26) размещены три плунжерных насоса для откачки осадка, два насоса для откачки всплывающих при- 66
A-A Рис. 2.26. Насосцая станция перекачки осадка из радиальных отстойников / — машинный зал; // — помещение щитовой; / — центробежные насосы с электродвигателями B шт.); 2 — плунжерные насосы с электродвигателями C шт.); 3 — насос ВКС с электродвигателем; 4 — кран подвесной; 5 — таль передвижная червячная месей и опорожнения и один насос для подачи промывной воды. Радиальный отстойник с полочными блоками приведен на рис. 2.27. Спиральный скребок для первичных радиальных отстойников предназначен для сгребания осадка, выпадающего на дно отстойника, к центральному приямку для удаления осадка из отстойника. Механизм скребка состоит из следующих основных узлов: приводной тележки, фермы, центральной опоры, звезды, спирального скребка, кольцевого токоприемника, устройства для сбора плавающих веществ (рис. 2.28). Отличительной особенностью механизма является наличие спирального скребка, выполненного в виде логарифмической спирали и шар- нирно соединенного с конструкцией фермы. Техническая характеристика скребка для радиального отстойника диаметром 30 м Производительность, м3/ч по осадку 25 Частота вращения, ч~' 1,86 Мощность электродвигателя, кВт 0,75 Масса, кг 7200 Спиральный скребок имеет следующие преимущества по сравнению с типовым: упрощена конструкция и снижены металлоемкость и трудоемкость изготовления; вследствие увеличения высоты скребка производительность по осадку возрастает на 20%; конструкция обеспечивает предохранение скребка от поломок при перегрузках. Союзводоканалпроектом разработан экспериментальный проект спирального скребка для радиальных отстойников диаметром 30 м очистных сооружений промышленного района г. Дзержинска. Туймазинским за- 5* 67
Рис. 2.27. Радиальный отстойник с центральным впуском сточных вод и полочными блоками / — полочные блоки; 2 — скребок ИПР-30; 3 — жиропровод; -» — трубопровод сырого осадка; 5 — трубопровод осветленной воды водом «Химмаш» разрабатываются рабочие чертежи спиральных скребков для отстойников диаметром 18, 24, 30 и 40 м. Осваивается серийное производство этих скребков указанным выше заводом. Радиальные первичные отстойники с вращающимся водораспределительным устройством. В обычных радиальных отстойниках из-за несовершенства распределения сточной воды использование зоны отстаивания сооружения не превышает 50 %• При этом наблюдается повышение скорости движения сточной воды, что значительно ухудшает эффективность их работы. Использование вращающихся распределительных устройств в значительной мере устраняет эти недостатки: проточные скорости снижаются до минимальных (отстаивание происходит в статических условиях), практически полностью используется зона отстаивания. Эти отстойники применяются для очистки городских и производственных сточных вод в широком диапазоне пропускной способности.
План Рис. 2.28. Спиральный скребок для первичного радиального отстойника D = 30 м (стрелка указывает направление движения скребка) / — кольцевой токоприемник; 2— ферма; 3 — скребок донного желоба; 4 — центральная опора; 5 — расчалка; 6 — спиральный скребок; 7 — устройство для удаления плавающих веществ; 8 — тележка приводная; 9 — тяга основная; 10 — скребок для сбора плавающих веществ; // — звездочка Благодаря совершенному гидравлическому режиму отстойники с вращающимся водораспределительным устройством могут принять гидравлическую нагрузку, в 1,5 раза превышающую нагрузку на обычные радиальные отстойники при равной эффективности отстаивания; они имеют меньшую, чем радиальные отстойники, глубину, равную 2—2,5 м, что обеспечивает значительное сокращение их строительного объема. Этот отстойник (рис. 2.29) состоит из плоского цилиндрического резервуара с центральным подводом и отводом воды. В верхней части сооружения размещается вращающееся распределительное устройство в виде затопленных распределительного и водосборного лотков, которые разделены криволинейной перегородкой. Распределительный лоток имеет с наружной стороны ряд струенаправляющих лопаток; водосборный лоток снабжен затопленным водосливом. Отстойник оборудуется жиросборником, илоскребком и илопрово- дом. 69
д-д Рис. 2.29. Первичный радиальный отстойник диаметром 18 м с вращающимся сборно- распределительным устройством (стрелка указывает направление движения устройства) / — дюкер для подачи сточной воды; і — воздушный затвор; .3 — центральная чаша; 4 — сборно- распределнтельное устройство; 5 — электропривод; 6—скребки; 7 — трубопровод осветленной воды; 8 — трубопровод для удаления осадка; Ч — затопленный лоток; І0 — лопатки; п — водослив; 12 — полупогруженная доска; 13 — щелевое дннще; 14 — перегородка; /5 — поплавковый жиросбор- ник Распределительное устройство вращается с частотой, равной частоте вращения выхода сточной воды из него, что обеспечивает в зоне отстаивания условия, близкие к состоянию покоя. Одновременно отстоявшаяся вода сливается через водослив в водосборный лоток и по дюкеру отводится из сооружения. Союзводоканалпроектом разработаны отстойники этого типа диаметром 18 и 24 м. Экономический эффект от применения таких отстойников для стан- 70
A-A -0,3 0,00 Рис 2.30. Псрг.ичньіі'і радиальный отстойник диаметром 18 м с периферийным впуском сточной воды / — подводящим канал; 2 — трубопровод для отвода плавающих веществ; 3 — отводящий трубопровод; 4 — затвор с подвижным водоошьом для выпуска плавающих веществ из лотка; 5—струе- направляющис трубки; 6 — распределительный лоток; 7 — полупемруженная доска для задержа» ния плавающих веществ; 8 — трубопровод для отвода осадка ций средней пропускной способности 50—100 тыс. м3/сут составляет 35—70 тыс. руб/год. Эффективность их работы может быть еще более увеличена при оборудовании их камерами флокуляции, выполняющими также функции преаэраторов. Камеры флокуляции рассчитываются иа продолжительность пребывания воды, равную 10 мин. Они оборудуются пневматическими аэраторами при интенсивности подачи воздуха 2—3 м3/(м2-ч). в них предусматривается подача 50—100 % избыточного активного ила после вторичных отстойников. Сточная вода и избыточный активный ил поступают в камеру флокуляции, расположенную в центральной части отстойника. Смесь из камеры флокуляции поступает в водораспределительное устройство. 71
Применение камер флокуляции позволит увеличить эффективность очистки воды в первичных отстойниках по БПК на 20—30 %, что соответственно сократит объем аэротенков и эксплуатационные затраты на биологическую очистку. Радиальные первичные отстойники с периферийным впуском воды применяются для механической очистки бытовых и производственных сточных вод (рис. 2.30). Они могут быть также реконструированы из обычных радиальных отстойников с центральной подачей воды. Степень очистки сточных вод от взвешенных веществ при одинаковой продолжительности отстаивания при этом повышается в 1,2—1,3 раза. При одинаковой степени очистки пропускная способность в зависимости от концентрации взвешенных веществ в исходной воде и требуемого эффекта очистки увеличивается в 1,3—1,6 раза. Сточные воды поступают в зону отстаивания с малыми скоростями. Распределительное устройство представляет собой периферийный кольцевой лоток с донными отверстиями или может быть с зубчатым водосливом и полупогружной перегородкой, обрамленный бортом отстойника. В этой зоне происходит быстрое гашение энергии выходящих струй, выделение и задержание плавающих веществ. Диаметр наружной стенки кольцевого лотка определяется обычно из расчета нагрузки сточной воды не более 20 м3/ч на 1 м2 кольцевой зоны. Для сбора и удаления всплывших примесей предусматриваются два бункера, один из которых устанавливается в центральной части отстойника, а второй — в кольцевой зоне. Отвод осветленной воды осуществляется с помощью центрального кольцевого лотка с двусторонним нзливом в него или через щелевые отверстия в центральной трубе. Расчетная продолжительность пребывания воды в отстойнике принимается с учетом-кинетики осаждения взвешенных веществ ориентировочно в течение 1 ч. Сибирским отделением Союзводоканалпроекта для химического комбината применен экспериментальный отстойник с периферийным впуском воды, разработанный ЦНИИЭП инженерного оборудования. Радиальные отстойники с периферийным впуском воды построены по проектам Укргипрокоммунстроя в Житомире и Харькове и строятся по проектам Казводоканалпроекта в Алма-Ате, а по проекту ЦНИИЭП инженерного оборудования в Норильске. Мосводоканалниипроектом выполнены рабочие чертежи экспериментальных первичных отстойников с периферийным впуском воды диаметром 18 и 24 м. Для первичного отстаивания производственных сточных вод применяются также отстойники с периферийным впуском сточных вод и полочными блоками, которые устанавливаются перед выпуском воды из отстойника и работают по противоточной схеме (рис. 2.31). Техническая характеристика отстойника с периферийным впуском сточных вод и полочными блоками Общая высота блока, м 2 Угол наклона полок блока, град 60 Материал блока винипласт ( 6=2,5 мм) Высота яруса в блоке, м 0,,15 Длина яруса, м 0,96 Число ярусов 26 Расчетный расход на группу из двух отстойников, тыс. м3/ч . 5,5 Продолжительность отстаивания, ч 0,8 Такие отстойники обеспечивают высокую степень осветления сточной воды и низкое содержание взвешенных веществ г, осветленной. Следовательно, для интенсификации работы существующих радиальных отстойников, может быть произведена их реконструкция, не требующая значительных капитальных вложений и заключающаяся в пе- 72
ТАБЛИЦА 2.9. ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ДЛЯ ПЕРВИЧНЫХ ОТСТОЙНИКОВ Отстойник Основной размер, м Пропускна« спосо'- ность, мя/ч Коэффициент не - пользола- нип пбъема OTCTOfifllt- ка К Рабочая тлубплд отстойном части Я, Ширина O. м Скорость потока v, мм/с Высота нейтрального слоя (запас), м Уклон днища Угол наклона и, град стенок приямка Горизонтальный Радиальный С вращающимся сборно-распределительным устройством Вертикальный с нисхо- дяще-восхптящнм потоком Тонкослойный по схемам: Протизоточной, прямоточной перекрестной I vH 3,&яК (uo—to) = 18 -~ 54 = 18 Ч- 30 4,5; 6; 9 vh r = Ku0 1,2 — коэффициент выноса) п _ *?осш 1 Лг (Л' — задается) (N — задается) Q — Фоб'Д (N — задается) її sin a (Я= 1,5 ч-2 м) 0,5 0,45 0,85 0,65 0,5—0,7 0,8 1.5-4 1,5-5 0,8—1,2 2,7—3,8 0,025—0,200 0,025—0,2 B^5) Н 2-6 1,5 5—10 5—10 5—10 5-Ю 0,3 0,3—0,5 0,5—0,6 0,3 0,3 0,3 о,оо: 0,05 0,05 0,005 50 50 50 50—60 50—60 Условные обозначения: /- — длина отстойника, м; D—диаметр отстойника, м; Qi — пропускная способность одного отстойника, м^/ч; N — число рабочих отстойников; Q06m — расчетное количество сточных вод, м:7ч; / — длина яруса в тонкослойном отстойнике, м; h — высота слоя отстаивания в ярусе тонкослойного отстойника, м; со=0 при о = 5"мм/с ц ш = 0,05 при и=10 мм/с.
Рис. 2.31. Первичный радиальный отстойник диаметром 40 м с периферийным впуском сточной воды и с многослойными блоками пз параллельных пластин / — лоток для подачи сточной l чы; 2— трубопровод для отвода очищенной воды; Л — трубопровод для отвода сырого осадк.г. ^ -многослойные блок;і пз параллельных пластин; 5 — трубопровод Для отвода плавающих веществ реоборудовании радиальных отстойников с центральной подачей воды на отстойники с периферийным впуском и тонкослойными блоками. Степень осветления сточных вод повышается при этом в 1,3—1,6 раза. Основные расчетные зависимости для первичных отстойников различных типов приведены в табл. 2.9. Многополочные сгустители предназначаются для осветления высококонцентрированных производственных сточных вод обогатительных фабрик цветной металлургии и сгущения продуктов обогащения. Многополочный сгуститель (рис. 2.32) состоит из цилиндрического корпуса, периферийного лотка для отвода осветленной сточной воды, центральной трубы для подачи исходной высококонцентриронанной сточной воды, рассекателя потока, скребкового механизма, вала скребкового механизма, набивного сальника, задвижки трубопровода для отвода сгущенного концентрата, бортика, многополочного блока, подкоса для поддержки многополочпого блока, конического днища. Исходная высококонцентрированная сточная вода с содержанием взвешенных веществ 20—60 г/л по центральной трубе, которая в конце имеет раструб н рассекатель потока, подается в зону гравитационного осаждения сгустителя, а затем поступает в зону тонкослойного отстаивания. Осветленная в тонком слое сточная вода переливается в периферийный лоток, а осадок с помощью скребкового механизма сгребается к центру и отводится трубопроводом сгущенного концентрата на вторую Рис. 2.32. Многополочиый сгуститель / —цилиндрический'корпус; 2 — бортик; 3 — вал скребкового мехаипчма; 4 — салышк; 5 — трубопровод для подачи еточпоіі волы; 6 — миогомо- .^очный блок; 7 — лоток дл;! отвода осветленной воды; 8 — набстонка; 9 — трубопровод для отвода сгущенного концентрата; 10 — рассекатель потока воды; // — скребковый механизм; 12 — коническое днище; )j — подкос для поддержки ыногонолочноги блока
стадию обезвоживания (центрифуги, пресс-фильтры, вакуум-фильтры и др.). Промышленные испытания показали, что при уменьшении высоты отстаивания с 3,5 до 0,18 м продолжительность этого процесса сокращается с 3,8 до 0,44 ч. Увеличение скорости движения потока с 0,93 до 4,1 м/ч приводит к повышению пропускной способности сгустителя. Продолжительность осветления воды / и длина полочного пространства I определяются по формулам ,= _Л2Р_. B.5) и0 cos a l = Katv, B.6) где Л,1р—высота яруса, равная 0,1—0,2 м; ц0 — гидравлическая крупность частиц взвешенных веществ, осаждение которых обеспечивает требуемую степень осветления сточной воды; а— угол наклона полок к горизонту, принимаемый равным 40—50°; Л'а — коэффициент запаса, учитывающий неполное использование объема тонкослойного отстойника. Скорость движения сточной воды в межполочном пространстве определяется из условия обеспечения ее ламинарного движения: i> = RexW<oHp, B.7) где Re = u/?„p/v — число Реннольдса, которое принимается при расчете меньше критического, равного 500; і— смоченный периметр яруса; /?Яр = ш,ф/х — гидравлический радиус яруса. Площадь живого сечения яруса сояр = еАЯр/соза( B.8) где В — ширина полочного пространства. Высоту полочного пространства Н рекомендуется принимать 1—2 м. В соответствии с уравнением ламинарного движения при значении Re=500 определяются максимальная скорость движения сточной воды и, а затем максимальный расход на сооружение <? = «„ру. B.9) Радиальные отстойники для осветления сточных вод металлургических заводов предназначаются для осветления сточных вод в системе оборотного водоснабжения доменной и конвертерной газоочисток, прокатных цехов и агломерационных фабрик. Такой отстойник оборудован водораспределительным устройством, рекомендованным ЛИСИ, и скребковым механизмом конструкции Со- юзводоканалпроекта. Водораспределительное устройство обеспечивает равномерную подачу сточной воды в центральную часть отстойника и радиальное распределение ее по всему его сечению. При этом достигается эффективное успокоение потока, уменьшается число водоворотных зон, что улучшает процесс осветления. Сбор осветленной воды периферийными лотками уменьшает вынос взвешенных веществ из отстойника. Техническая характеристика скребкового механизма Высота подъема фермы, мм 150 Мощность электродвигателя, кВт 1,5 То же, гидромуфты подъема фермы, кВт 1,5 Масса общая, кг 12 100 Скребковый механизм представляет собой двухветвевую ферму с центральным приводом. Расположение привода в центре позволяет установить ферму под водой, что исключает закручивание потока воды в верхних слоях при движении фермы и тем самым улучшает гидравлические условия осветления. Предусмотрен автоматический подъем фермы при возникающих в скребковом механизме неравномерных перегрузках от большого скопления осадка или тяжелого осадка, что повышает надежность работы и помогает установить оптимальный режим 25
7 6 Рис. 2.33. Радиальный отстойник ?) = 30 м с встроенной камерой хлопьеобразования гидроциклонного типа с системой поверхностного отбора осветленной сточной воды металлургического завода 1 — камера хлопьеобраэовакня; 2 — зона осаждения; 3 — подача сточной воды; 4 — отвод осветленной воды; 5 — водосборная система: 6 — скребковая ферма; 7 — распределительное устройство; 8 — отвод осадка; 9 — маслосборное устройство; 10 — отвод масел . /7/7 О И Рис. 2.34. Первичный радиальный отстойник 0 = 54 м со встроенным преаэратором ' — приямки для сбора осадка; 2 — лотки для сбора осветленной воды; 3 — трубопровод для подачи сточной воды; 4 — трубопровод для отвода осветленной воды; 5 — трубопровод для удаления осадка; 6 — жиросбориый бункер; 7 — корпус преаэратора; 8 — воздуховод движения и остановки фермы. Последняя имеет облегченную конструкцию и более простой привод. Скребковый механизм эксплуатируется в отстойнике диаметром 30 м, устадовленном в системе очистки оборотной воды конвертерной газоочистки металлургического завода. Допускаемая гидравлическая 76
ТАБЛИЦА 2.10. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ОТСТОЙНИКА ДИАМЕТРОМ 30 м ПРИ РЕАГЕНТНОЙ ОБРАБОТКЕ ВОДЫ (ПРИ ДОЗЕ FeCIa, РАВНОЙ 28—40 мг/л И ПАА 1,0—1,2 мг/л) нагрузка на 1 м2 зеркала отстойника 2,5 м3/ч. Эффективность отстаивания при исходном содержании взвешенных веществ в воде до 1500 мг/л — 90%. Отстойники диаметром 30 м с встроенными камерами хлопьеобразо- вания гидроциклонного типа (рис. 2.33) построены и эксплуатируются в системах оборотного водоснабжения станов горячей прокатки «2000* Череповецкого металлургического завода и «450» Западно-сибирского металлургического завода, строятся в системах водоснабжения станов «2500» Магнитогорского и «1700» Карагандинскрго металлургических комбинатов, а также комплекса прокатных цехов Кузнецкого металлургического комбината. Серийный выпуск отстойников этой конструции освоен Иркутским заводом тяжелого машиностроения им. В. В. Куйбышева. Годовой экономический эффект от применения отстойников новой конструкции в условиях системы оборотного водоснабжения широкополосного стана горячего проката с потреблением воды до 17 000 м3/ч составляет 251,3 тыс. руб. Радиальные отстойники со встроенными камерами хлопье- образования гидроциклонного типа могут быть применены для очистки сточных вод машин непрерывного литья заготовок, содержащих масла, а также для осветления сточных вод газоочисток доменных и конвертерных цехов металлургических комбинатов (табл. 2.10). При' повышенном содержании в сточных водах труднооседаю- щих веществ в качестве сооружений первичного отстаивания применяются отстойники - осветлители. В них достигается снижение концентрации загрязнений на 70 % по взвешенным веществам и на 15 % по БПКполн вследствие совмещения процессов осаждения, хлопьеобразования и фильтрования сточной воды через слой взвешенного осадка. Осветлители могут работать с предварительной коагуляцией и аэрацией сточных вод или без такой подготовки (табл. 2.11). Радиальные первичные крупногабаритные отстойники со встроенными преаэраторами (рис. 2.34) разработаны для крупных очистных сооружений Мосводо- каналниипроектом.. Распределительное устройство выполнено в виде стальной трубы, переходящей в верхней части в железобетонный раструб, оканчивающийся ниже зеркала воды. Из раструба очищаемая сточная вода свободно растекается к периферии чаши отстойника. Для отведения осветленной сточной воды предусмотрены два концентрических лотка, связанных между собой радиальными перемычками. Это позволяет уменьшить нагрузку на водослив и создать таким образом более благоприятные условия работы. Водосливные кромки ut-i s 2 ГИДІ зка, к а - ss 2,5—3,0 4,7-5,0 Содержание взвешенных веществ, МГ/Л инка sG О н отс о ч 180 140 а •х X та (U О ^ н gs 45 40 Сі pa о о нос ть ш S н _ а55 Si 75,0 71,5 Содержание масел, мг/л X с: о отс 105 100 і о gs 50 60 8 ность ІЇ 52,4 40,0 ТАБЛИЦА 2.11. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТИПОВЫХ ОСВЕТЛИТЕЛЕЙ С ЕСТЕСТВЕННОЙ АЭРАЦИЕЙ О. S 2 6 9 Высота, м, части ЦНЛННД ческой 4,2 4,2 V Я р5р 5 5,1 раСочи 150 350 строительны 180 445 Пропускная способность, ма/ч, при продолжительности отстаивания 1,5 ч и числе осветлителей два 169 375 четыре 338 750
сборных лотков имеют зубчатую форму. Для выгрузки осадка в отстойнике предусмотрены илоскребы. Осадок сгребается к кольцевому иловому лотку в середине зоны отстаивания. Такое размещение лотка уменьшает длину пути осадка, сокращает расход энергии на его перемещение, позволяет меньше взмучивать осадок. Днище отстойника имеет уклон 0,02 в сторону кольцевого лотка. Осадок из иловых приямков удаляется по трубам плунжерными насосами. Илоскреб состоит из двух полных и двух неполных граблин. В полной граблнне 16 скребков, из них двенадцать прямых и четыре вогнутых, а в неполном — четыре скребка, в том числе три вогнутых. Мощность электродвигателя периферийного привода, вращающего ферму со скребковым механизмом, 2,2 кВт. Частота вращения фермы 1 и 1,5 ч'1, при этом расчетная производительность илоскреба по осадку соответственно равна 33 и 50 м3/ч. Ферма перемещается на обрезиненном колесе по борту отстойника. Первичный отстойник оборудован устройством для приема всплывающих на поверхность веществ. Техническая характеристика крупногабаритного радиального отстойника Диаметр, м 54 Пропускная способность, м3/сут 168 000 Гидравлическая глубина, м 5,7 Глубина зоны отстаивания, м 5,3 Объем зоны отстаивания, м3 10 500 Расчетная продолжительность отстаивания, ч 1,5 Увеличение диаметра, вынос иловых приямков в середину зоны отстаивания, усовершенствованный водослив, предварительная аэрация позволяют повысить пропускную способность отстойников и значительно сократить капитальные расходы и эксплуатационные затраты на нх сооружение. Отстойники диаметром 54 м хорошо работают на Курьяновской станции аэрации (Москва) и на Байкальском целлюлозно-бумажном комбинате. Эффект выделения взвешенных веществ составляет не менее 70 %. Для эффективной работы первичных отстойников и предотвращения выноса взвешенных веществ имеет большое значение равномерное распределение между отстойниками общего переменного притока сточных вод на сооружения, что достигается автоматическим регулированием положения соответствующих затворов и шиберов на подводящих каналах. Работа насосов, откачивающих осадок, согласуется с режимом работы отстойников и уровнем накопления осадка с помощью АСУ. Предусматривается также автоматический контроль за работой механического оборудования отстойников с передачей информации на пульт управления. Прочие сооружения Преаэраторы, биокоагуляторы и осветлители должны применяться для снижения содержания загрязнений в отстоенной сточной воде сверх обеспечиваемого первичными отстойниками; для извлечения (сорбцией) ионов тяжелых металлов и других загрязнений, неблагоприятно влияющих на процесс биологической очистки. Преаэраторы предусматриваются в первичных отстойниках в виде встроенных сооружений (см. рис. 2.34), а биокоагуляторы — в виде соо ружений, совмещенных с вертикальными отстойниками1. Преаэраторы применяются на станциях очистки 'с аэротенками, а биокоагуляторы — на станциях как с аэротенками, так и с биологическими фильтрами. При проектировании преаэраторов и биокоагуляторов следует принимать: 78
число преаэраторов, равное числу отстойников; продолжительность аэрации сточной воды с избыточным активным илом 10—20 мин; количество подаваемого ила 50—100 % избыточного; удельный расход воздуха 0,5 м3 на 1 м3 сточной воды; увеличение эффективности задержания загрязнений (по БПКполн и взвешенным веществам) в первичных отстойниках на 20—25 % с добавкой активного ила; гидравлическую нагрузку на зону отстаивания бпокоагуляторов не более 3 мя' М2-ч). На O4UL1 пых станциях с аэротенками активный ил подается из конца регенератора в преаэратор. При отсутствии регенераторов следует предусматривать возможность регенерации активного ила в преаэрато- рах. Объем отделения для регенерации принимается равным 0,25—0,3 общего объема преаэратора. Осветлители с естественной аэрацией устраиваются по типу вертикальных отстойников с внутренней камерой флокуляции. Сточная вода поступает в них по лотку и направляется в центральную трубу, на конце которой прикреплен отражательный щит. Вследствие разницы уровней воды в подводящем лотке н осветлителе @,6 м) воздух эжектирует- ся потоком сточных вод, поступающих в осветлитель. В камере флокуляции происходит частичное окисление органических веществ и усиленное хлопьеобразованпе, способствующее интенсификации процесса. Из камеры флокуляцни сточная вода направляется в отстойную зону осветлителя, в которой п-ри прохождении через слон взвешенного осадка задерживаются мелкодисперсные взвешенные частицы. Осветленная вода через кромку водослива переливается в периферийный лоток, а далее в отводящий. Выпавший осадок под гидростатическим напором удаляется по трубе в иловый колодец. Плавающие вещества задерживаются внутренней стенкой сборного лотка и по мере накопления сбрасываются в иловый колодец по трубе через кольцевой лоток. В результате эффективность очистки сточных вод в сооружении достигает 75 %- Пропускная способность осветлителя диаметром 6 м при продолжительности пребывания в нем сточной воды 1,5 ч —85 м3/ч, а осветлителя диаметром 9 м— 193 м3/ч. Осветлители компонуются в блок из двух и четырех сооружений. Степень очистки сточных вод в осветлителях с естественной аэрацией по среднегодовым данным эксплуатации характеризуется следующими показателями: снижением содержания взвешенных веществ с 1200 (в том числе 20 % минеральных) до 300 мг/л (в том числе 25 % минеральных), уменьшением жиров с 200 до 90 мг/л. Нефтеловушки применяются для очистки сточных вод, содержащих грубодиспергированные нефть и нефтепродукты при концентрации более 100 мг/л. Эти сооружения представляют собой прямоугольные вытянутые в длину резервуары, в которых происходит разделение нефти и воды за счет разности их плотностей. Нефть и нефтепродукты всплывают на поверхность, а содержащиеся в сточной воде минеральные примеси оседают на дно нефтеловушки. Выделение всплывающих примесей из сточной воды по существу аналогично осаждению твердых взвешенных частиц; отличие лишь в том, что плотность частицы рг в этом случае меньше плотности сточной воды pi и частица вместо осаждения всплывает. Результаты опытов и эксплуатационные данные показывают, что в основу расчета нефтеловушек должна быть положена скорость подъема капелек нефти диаметром 0,008—0,01 см. При ^ = 20 °С плотность всплывающей нефти 0,87 г/см3. На рис. 2.35 показана типовая нефтеловушка. Многополочная (тонкослойная) нефтеловушка является усовершенствованной конструкцией горизонтальной нефтеловушки. 79
A-A Рис. 2.35. Типовая нефтеловушка пропускной способностью 39С м3/ч 1 — нефтесборная труба; 2. 3 — скребковый транспортер соответственно левый и праиый; 4 — гид- роэлеватор; 5. 6 — Задвижки с электроприводом во взрывозащитном исполнении; 7 — подача води к гидроэлевагору Нефтесодержашая вода по трубам поступает в секции нефтеловушки и через поперечную трубу с вертикальными патрубками и диффузорами распределяется по ширине и глубине зоны грубой очистки. Здесь выделяется основное количество всплывающих примесей нефти и нефтепродуктов и осаждаются механические твердые примеси. Продолжительность пребывания сточной воды в этой зоне — 2—4 мни. Далее сточная вода через пропорциональное водораспределительное устройство поступает в отстойную зону с полочными блоками. При движении потока в ярусах .блока частицы нефти и нефтепродуктов всплывают. Осветленная вода после полочных блоков проходит под полупогружной перегородкой и выводится из сооружения через водослив и водосборный лоток. Всплывшие нефть и нефтепродукты в зоне грубой очистки отводятся постоянно через щелевую поворотную трубу, над полочными блоками сгоняются скребками к концу отстойной зоны и по второй щелевой поворотной трубе периодически отводятся из сооружения. У кромки неф- тесборных труб предусматривается обогрев слоя нефти и нефтепродуктов. Осадок сползает к центральной части и в промежутках между блоками собирается в лоток, откуда скребками сдвигается в приямок зоны грубой очистки, оборудованный гидроэлеватором для выгрузки осадка. Остаточное содержание нефтепродуктов в сточной воде после нефтеловушки — 100 мг/л. При расчете принимается: гидравлическая крупность частиц нефти 0,15 мм/с; толщина слоя всплывших нефтепродуктов 0,1 м; расстояние между полками 50 мм; угол наклона полок 45°; ширина полочного блока 0,65—0,75 м; высота полочного блока 1,5—1,6 м; ширина нефтеловушки 2—3 м; потери напора 0,5—0,6 м. Союзводоканалпроектом разработан типовой технический проект двух-, трех- и четырехсекционных многоярусных нефтеловушек пропускной способностью соответственно 300, 450 и 600 м3/ч. Остаточное содержание нефтепродуктов в сточной воде, прошедшей многоярусную нефтеловушку, составляет 70—100 мг/л. Совмещение ее 80
Я-ff ^m~ Рис. 2.36. Отстойник-см<элоулопитель / — подходящий лоток: 2— плавающая лоска; 3 — лоі-Ок для сбора легких смол: 4 — лоток для отвода очищенной воды; 5, 7 — отвод соответственно легких и тяжелых смол; 6 — скребки, u — отвод конденсата; 9 — подача пара; 10 — двутавр с флотационной камерой позволит снизить содержание нефтепродуктов в очищенной сточной воде до 30 мг/л. Смолоотстойники. Для очистки производственных сточных вод, загрязненных смолой, применяют радиальные отстойники-смолоуловители (рис. 2.36). Для уменьшения вязкости смолу перед откачкой подогревают паром до температуры 60 °С. Накапливающиеся на поверхности масла перетекают в радиальные лотки, по которым они отводятся в кольцевой сборник, расположенный вокруг центральной трубы. Масло из сборника откачивается насосом. При расчете смолоотстойников принимают: среднюю глубину рабочего слоя воды 1,5 м; скорость движения воды 1—2 мм/с; продолжи- 6—179 81
тельность отстаивания 3—4 ч; эффективность осветления 80—90 "/о", плотность осадка 1,1 г/см3; частоту вращения скребкового устройства 1 мин. Смолоотстойники применяют для очистки на коксохимических заводах фенольяых сточных вод, содержащих смолу и масла. § 12. ГИДРОЦИКЛОНЫ Принцип действия гидроциклонов основан на сепарации частиц твердой фазы во вращающемся потоке жидкости. Величина скорости сепарирования частицы в центробежном поле гидроциклона может превышать скорость осаждения эквивалентных частиц в поле гравитации в сотни раз. К основным преимуществам гидроциклонов следует отнести: 1) высокую удельную производительность по обрабатываемой суспензии; 2) сравнительно низкие расходы на строительство и эксплуатацию установок; 3) отсутствие вращающихся механизмов, предназначенных для генерирования центробежной силы; центробежное поле создается за счет тангенциального ввода сточной воды; 4) возможность создания компактных автоматизированных установок. Для механической очистки производственных сточных вод от взвешенных веществ могут быть применены открытые и напорные гидр оци клоны. Открытые гидроциклоны используются для выделения всплывающих и оседающих грубоднс- Рис. 2.37. Открытый гидроциклон для очистки сточных вод газоочисток металлургических производств / — периферический водослив; 2. 3 — соответственно плоская и коническая диафрагма; 4 — отвод осветленной воды; 5 — отверстие для удаления щлама; 6 — подача сточной воды Рис. 2.38. Многоярусный открытый гидроциклон / — водосборный желоб; 2 — полупогружен- иая кольцевая стенка; 3 — аванкамера; 4 — ярусы; 5 — шламоотводные козырьки; 6 — во- доподающие трубы; 7 — труба для удаления всплывающих веществ; 8 — труба для удаления шлама; 9 — шламоотводящая шахта; 10— конические диафрагмы; /(—выпуск осветленной воды; 12 — тангенциальные впускные насадки; 13 — наклонные впуски S2
персных примесей гидравлической крупностью более 0,2 мм/с и скоа- гулированных взвешенных веществ. Открытые гидроциклоны (табл. 2.12) применяются следующих типов: ТАБЛИЦА 2.12. ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ РАЗМЕРЫ ОТКРЫТЫХ ГИДРОЦИКЛОНОВ Показатели Тип гидроциклонов без внутренних устройств с конической диафрагмой с конической диафрагмой и внутренним цилиндром многоярусные с наклонными выпусками с периферийным отбором Диаметр аппарата D, м . . Высота цилиндрической части Я, м Высота ярусов А, м . . . Число ярусов Размер впускного патрубка, м , . . Число впусков Угол конической части, град Угол конусности диафрагмы, град Диаметр центрального отверстия в диафрагме, м . . Диаметр внутреннего цилиндра, м Высота внутреннего цилиндра, м Высота водосливной стенки над диафрагмой, м . . . Диаметр водосливной стенки, м Диаметр полупогружной кольцевой перегородки, м . Зазор между корпусом и диафрагмой, м Ширина шламоотводящей щелн, м Скорость потока на входе d аппарат, м/с То же, в раструб выпуска, м/с Число выпусков из яруса . 2—10 D 0,07 D 2 60 — — — D 0,2 1 1 1 1 1 2—6 D 0.05D 2 60 90 0,5D 0,5 D+0,2 D 1 1 1 1 о 2—6 D+0,5 м 0,05 D 2 60 90 0,5 D 0.88D D 0,5 D+0,2 D 0 2—6 nh 0,1—0,25 4—20 2—6 (n+2) h 0,1—0,2 4—20 Определяется по входящей скорости потока 3 • 3 60 90—60 0,6—1,4 0,5 D+0,2 D 0,05—0,07 0,1—0,15 0,3-0,4 «0,1 3 60 90—60 0,9—1,6 0,6-1,0* 0,5 D+0,2 D 0,1—0,15 0,3—0,4 * Над чертой приведен размер нижней диафрагмы пары ярусов, а под чертой — верхней. без внутренних устройств для выделения из сточных вод крупных и мелкодисперсных взвешенных веществ; с конической диафрагмой (рис. 2.37) и с внутренним цилиндром для выделения оседающих и всплывающих мелкодисперсных взвешенных веществ; многоярусный с наклонными выпусками осветленной воды из каждого яруса (рис. 2.38) для выделения крупных и мелкодисперсных взвешенных веществ; многоярусный с периферийным отбором осветленной воды для выделения оседающих крупно- и мелкодисперсных взвешенных веществ. В конструкции многоярусного гидроциклона совмещены принципы работы открытого гидроциклона и тонкослойного отстойника, что позволяет получить высокую эффективность очистки при удельных гидравлических нагрузках в 8—10 раз и более, превышающих нагрузки на обыч- 83
ные отстойники. Очищаемая сточная вода подается тангенциально через три щели. Выбор типа гидроциклона в каждом конкретном случае следует определять технико-экономическим сравнением вариантов. Основной расчетной величиной открытых гидроциклонов является удельная гидравлическая нагрузка q, м3/(м2-ч), которая определяется по формуле B.10) где иа — гидравлическая крупность частиц, которые необходимо выделить для обеспечения требуемого эффекта; определяется по кривым кинетики осаждения, получаемым в лабораторных условиях при отстаивании исходной сточной воды в состоянии покоя в слое Л = 200 мм; К — коэффициент пропорциональности, зависящий от типа гидро- циклона и равный: для гидроциклоиа без внутренних устройств 0,61; для гидроциклона с конической диафрагмой и внутренним цилиндром 1,98; для многоярусных гидроциклонов: с наклонными выпусками К = 0,75л (D2_d2)/D2> ' B.11) здесь л— число ярусов; D — диаметр гидроциклона; d— "диаметр окружности, на котором располагаются раструбы выпусков; / с периферийным отбором осветленной воды K^\M{D2-d\)lD2, B.12) здесь п — число пар ярусов; di — диаметр отверстия средней диафрагмы пары ярусов. Производительность одного аппарата Q, м3/ч, определяется но формуле ¦ Q = 0,785qD2. B.13) Формула для расчета содержания взвешенных веществ Сосв, г/л, в осветленной воде для открытого гидроцпклона C0CB = Aq!H, B.14) где А — коэффициент, равный при работе без коагулирования 0,075 и с коагулированием 0,033. Формула B.14) дает хорошую сходимость с практическими данными при нагрузках до 14—15 м3/(м3-ч) для гидроциклона с конической диафрагмой в верхней части аппарата — рациональной конструкции открытого типа при очистке сточных вод газоочисток конвертерных, мартеновских и электросталеплавильных цехов. Эта конструкция максимально используется для обработки сточных вод газоочисток сталеплавильных производств. В открытых гидроциклонах создаются благоприятные условия для осаждения солей кальция, и, несмотря на значительно меньшую, чем в радиальных отстойниках, продолжительность пребывания сточной воды, стабилизация состава воды происходит вполне удовлетворительно. Удаление выделенного осадка из открытых гидроциклонов следует предусматривать непрерывное под гидростатическим давлением с помощью гидроэлеваторов или других механизмов. Всплывшие примеси, масла и нефтепродукты задерживают полупогружной перегородкой. Укргипромезом совместно с институтом ВНИПИчерметэнергоочистка разработаны компактные системы оборотного водоснабжения газоочисток с обработкой сточных вод в открытых гидроциклонах диаметром 6—12 м, заменивших радиальные отстойники. Применение безнапорных одноярусных гидроциклонов для обработки сточных вод установок газоочистки металлургических печей и цехов горячей прокатки позволяет в 5—6 раз интенсифицировать процесс осаждения взвешенных веществ. Такие установки успешно эксплуатируются на заводах Запорожсталь и Днепроспецсталь. Удельные гидравлические нагрузки на открытые гидроциклоны в 10 раз больше, чем на радиальные отстойники, а с флокуляцией полиакрил- амидом составляют при содержании взвешенных веществ в осветленной воде 150—200 мг/л для сточных вод газоочисток конвертерных и мар- 84
і Шлак Рис. 2.39. Принципиальная схема движения воды в гидроциклоне 1 — питающий патрубок; 2, 5 — соответственно нисходящий и восходящий поток; 3,6 — соответственно коническая и цилиндрическая части; 4 — шламовое отверстие; 7 — сливной патрубок Рис. 2.40. Конструкция напорного гидроциклона со съемными элементами рабочей камеры / — цилиндрическая часть; 2 — сливной патрубок; 3 — питающий патрубок; 4 — корпус; 5 — шламовый патрубок; 6 — съемная вставка теновских печей 0—12, а для газоочисток электросталеплавильных печей 3 м3/(м2-ч). Применение компактных установок обеспечивает значительное снижение капитальных затрат на строительство систем оборотного водоснабжения мокрых газоочисток. Эксплуатация таких систем выявила следующие их преимущества: 1) сооружения оборотного цикла (водоснабжения) максимально приближены к потребителю благодаря уменьшению в 2—3 раза площади, которая необходима для их размещения; 2) охлаждение воды в отдельных случаях не производится; 3) все сооружения оборотного цикла водоснабжения компактно размещены в одном блоке; 4) при обработке сточных вод применяются более прогрессивные решения; 5) железосодержащие шламы утилизируются. Напорные гидроциклоны применяются для выделения из производственных сточных вод грубодисперсных примесей главным образом минерального происхождения, плотность которых отличается от плотности жидкой среды сточных вод, в том числе: частиц песка, угля, окалины, компонентов керамики, стекла, строительных материалов, диспергированных отходов литейного, горно-рудного, асбестоцементного, химического и металлургического производств. Напорные гидроциклоны могут быть единичными и батарейными (мультигидроциклоны) и используются при осветлении сточных вод для сгущения осадка, обогащения известкового молока и твердой фазы сточных вод в процессе их утилизации. 8S
При осветлении производственных сточных вод мультигидроциклоны обеспечивают высокую степень очистки. Наибольший опыт применения напорных гидроциклонов имеется в горно- и угледобывающей, а также в химической промышленности. Кроме того, они находят применение в качестве разделителей суепензий пищевой промышленности. На рис. 2.39 представлена схема движения потоков жидкости в напорном гидроциклоне. Для наглядности условно выделена лишь часть потока в виде некоторой совокупности линий тока. Обрабатываемая суспензия под избыточным гидростатическим давлением подается в аппарат через питающий патрубок /, расположенный тангенциально к диаметральному сечению цилиндрической части б. Такое присоединение питающего патрубка / обеспечивает создание вращательного движения жидкости относительно оси гндроциклона, при этом наблюдается образование двух характерных потоков, суммарный расход которых равен расходу питания. Внешний поток, вращаясь, проходит цилиндрическую и коническую части, направляется к шламовому отверстию 4, внутренний же — к сливному патрубку 7. Направления вращения внешнего и внутреннего потоков в гидроциклоне совпадают. Основное влияние на процесс разделения оказывает окружная скорость движения, величина которой определяет интенсивность вращения жидкости, и следовательно, фактора разделения. Дзержинским филиалом Ленниихиммаш, Проблемной лабораторией ГИСИ им. В. П. Чкалова, ВНИИ ВОДГЕО разработаны унифицированные конструкции напорных гидроцнклонов, предназначенных для очистки сточных вод, сгущения осадков, обогащения известкового молока, удаления абразивных примесей из сырых осадков станций аэрации перед обезвоживанием на центрифугах и сепараторах. Разработаны две модификации конструкции напорных гидроциклонов: с монолитными элементами рабочей камеры и диаметрами цилиндрической части 25—80 мм, а также со съемными элементами рабочей камеры (рис. 2.40) и диаметрами D, равными 100—500 мм( табл. 2.13). ТАБЛИЦА 2.13. РАЗМЕРЫ ОСНОВНЫХ Показатели Диаметр цилиндрической части, D, мм Диаметр, мм: питающего патрубка dat,T эквивалентный d^ Диаметр сливного патруб- Диаметр шламового патрубка Йшл, ММ УЗЛОВ И деталей напорных ГИДРОЦИКЛОНОВ (см. рис. 2.40) Марка гидроциклоиа X 25 / fi і 8 ,_ І — 6 Я 1? 4 5 — u 40 fi 8 1? — О 00 - 16 4 5 6 S u, 60 я 12 16 12 lfi 9,0 5 6 8 об I 80 10 12 20 25 16 20 32 6 8 10 12 100 и I 100 12 16 25 32 20 32 40 ooo 12 16 3 и I i_ 125 16 25 32 40 25 32 40 50 10 12 16 20 160 и I 160 20 25 40 50 32 40 50 60 12 16 20 25 І и ? 200 25 32 50 60 40 50 60 80 16 20 25 32 g и u 250 32 40 60 80 50 60 80 100 16 20 2b 32 1 и X u 320 50 60 80 100 60 80 100 125 16 25 32 40 400 и E 400 60 80 100 125 80 100 125 160 20 25 40 50 500 О X u 500 Я0 100 125 160 100 125 160 200 25 32 ЬО 60 86
Продолжение табл. 2.13 Показатели Угол конусности конической части а, град Высота цилиндрической части На, мм Глубина погружения сливного патрубка Нсл, мм ? 5 10 25 50 75 100 10 16 25 — Е 5 10 АО 80 120 160 16 25 32 — о X 5 10 G0 120 lao 240 25 32 40 — L- 5 10 o0 160 240 320 32 40 64 — Mai 100 О ? ю 20 100 200 300 400 40 64 80 — жа гидрскінклона а и X 10 20 125 2Ь0 375 50 64 180 100 S и і 10 20 160 320 480 64 ао 100 120 200 и X 10 20 200 400 600 80 100 120 160 250 и І 10 20 250 500 750 100 120 160 200 320 и Е .15 20 320 500 750 120 160 200 250 І и і 15 20 400 500 800 160 200 250 320 500 и X 15 20 500 75С 1000 200 250 320 400 Условные обозначения: ГН — гидроциклон напорный с монолитными w-мен- тамн рабочей камеры; ГНС — то же, со съемными элементами рабочей камеры. В зависимости от химических и механо-физических свойств обрабатываемых сточных вод и осадков аппараты первой модификации изготовляются из нержавеющей стали, полиэтилена и полиуретана, а корпус аппарата второй модификации — из нержавеющей стали или стали марки СтЗ (с покрытием внутренней поверхности износостойкой эмалью). Напорные гидроциклоны изготовляет опытно-экспериментальный завод Дзержинского филиала Лен- ниихиммаш. Батарейные гидроциклоны и мультигидроциклоны — технологическое оборудование, в котором реализованы основные преимущества напорных гидроциклонов малого диаметра: высокая эффективность осветления сточных вод с обеспе-' чением высокой производительности, а также компактности. Батарейные гидроциклоны имеют единую систему питания, системы сбора верхнего и нижнего продуктов разделения. На рис. 2.4] приведена схема батарейного гидроциклона, включающего 12 единичных напорных гидроциклонов диаметром 75 мм. Этот аппарат рекомендуется к применению в технологических процессах очистки производственных сточных вод литейных, стекольных и керамических производств. Рис. 2.41. Батарейный гидроциклон Дзержинского филиала Леннинхиммаш с единичными аппаратами d=75 мм Патрубки: / — шламовый: 2 — питающий; 3 — сливной; 4 — опорожнения 87
Суммарная производительность напорных гидроциклонов определяется в зависимости от конструктивных размеров аппаратов, давления питания и гидродинамических условий выхода жидкости и шлама. В большинстве случаев напорные гидроциклоны работают без противодавления со стороны сливного и шламового патрубков, т. е. давление на выходе из сливного и шламового патрубков соответствует атмосферному Производительность гидроциклона назначенных размеров QnHT, л/с, рассчитывается по формуле П — I ПЧП°.°53 Л! .28 Л),405 J), 143 н0,015 „0,026 п 10 \еЛ где D, dn„T, den, dmn, Нц даны в см; а — в град; РпИТ — в МПа. Уравнение B.15) справедливо для значений конструктивных параметров напорных гидроцилиндров, приведенных в табл. 2.13, и гидродинамического реЖИМа работы Рсл = Рат, Ршл = Ргт. Расход шлама <3шл, л/с, определяется по формуле П1,45^0,24 ,2,86 оО,09 ft,.-0,026 ^ * ¦ B-16) "ел пит Эффективность осветления сточных вод в гидроциклонах рассчитывается на основе результатов анализов гранулометрического состава частиц твердой фазы. Располагая графическим представлением интегрального распределения частиц по их геометрическим размерам и гидравлической крупности, а также по расчетным значениям граничной крупности разделения в гидроциклоне—максимальным размерам частиц твердой фазы, уносимых жидкостью, определяется количество твердой фазы (в %), выделенной в аппарате. Граничная крупность разделения б, мкм, определяется по формуле D0,543 jl ,643 j0,014 0,5 0 = 2,7-10» пит Г . B.17) jO,57 w0,507 с/0,714 Л,, „ \0,5 O0,222 v <Сл ЯЦ К ifVT — Ус) Рпит При выборе конструкций напорных гидроциклонов необходимо учитывать следующие основные данные: 1) требуемую эффективность разделения сточных вод; 2) абразивные свойства твердой фазы; 3) химическую агрессивность жидкой фазы; 4) предельное давление перед аппаратом и требуемое давление в сливном трубопроводе; 5) гранулометрический состав и плотность частиц твердой фазы; 6) механическую прочность частиц твердой фазы суспензии; 7) производительность установки. Приведенные выше конструкции единичных напорных гидроциклонов и мультигидроциклонов, изготовляемых отечественной промышленностью, позволяют решать широкий круг задач по осветлению производственных сточных вод и сгущению осадка. При выборе размеров конструктивных элементов гидроциклонов необходимо руководствоваться следующими общими рекомендациями. Диаметр цилиндрической части аппаратов ориентировочно выбирается на основании данных табл. 2.13. Размеры питающего, сливного и шламового патрубков принимаются с учетом соотношений: <Wdc„ = 0,5-=-l,0; B.18) dnBT/D = 0,12-^0,4; B.19) 4шт<(о-*сл)/2-Д; B.20) 4пл/4сл = 0,24-1,0, B.21) где А — толщина стенки сливного патрубка. Для предупреждения забивки шламового отверстия гидроциклона крупными частицами твердой фазы его минимальный диаметр должен превышать максимальный размер частиц твердой фазы в 6—^8 раз. Высота цилиндрической части для гидроциклонов-осветлителей дол- 88
жна приниматься ЯЦ=BЧ-4)О, а для гидроциклонов-сгустителей Яц= A2)D ) Угол конусности конической части а принимается для гидроциклонов-осветлителей равным 5—15°, а для гидроциклонов-сгустителей 20—45 °. Давление питания напорных гидроциклонов следует принимать: при одноступенчатых схемах осветления сточных вод и сгущения осадков, а также при использовании многоступенчатых установок, работающих с разрывом струи, 0,15—0,4 МПа; при двух- и трехступенчатых схемах установок, работающих без разрыва струи, 0,35—0,6 МПа. Требуемое число напорных гидроциклонов праб определяется с учетом обеспечения расчетной производительности установки и надежности работы, т. е. яРаб = QIQn«r, B.22) где Q — расчетная производительность установки. Число резервных аппаратов преа следует принимать при осветлении сточных вод и уплотнении осадков, твердая фаза которых не обладает абразивными свойствами: при Праб^Ю Преэ=1, при 10<«Раб^15 /грез= = 2, при праб>15 на каждые 10 ,рабочих аппаратов rtpe3:=l; при очистке сточных вод и уплотнении осадков с абразивной твердой фазой «рез = 0,25 ttpa-б. Проблемной лабораторией ГИСИ им. В. П. Чкалова, ВНИИ ВОДГЕО, Дзержинским филиалом Ленниихиммаш разработан отраслевой стандарт «Напорные гидроциклоны. Конструкции. Методы расчета. Системы автоматического регулирования», рекомендуемый для применения в области очистки сточных вод. В зависимости от требуемой эффективности очистки сточных вод обработка в напорных гидроциклонах может осуществляться в одну — три ступени путем последовательного соединения аппаратов с разрывом и без разрыва струи. Для сокращения потерь воды с удаляемым осадком шламовый патрубок гидроциклона первой степени следует герметично присоединять к шламовому резервуару. На этой ступени следует использовать гидроциклоны больших размеров для задержания основной массы взвешенных веществ и их крупных частиц, которые могут засорить гидроциклоны малых размеров, используемых на последующих ступенях установки. По исследованиям ГИСИ им. В. П. Чкалова, наиболее эффективно очистка производственных сточных вод литейных цехов осуществляется в гидроциклонах диаметрами 150 и 75 мм, работающих последовательно. Вторая ступень очистки включается в работу в том случае, когда концентрация твердой фазы в поступающей воде аппаратов первой ступени превышает 400 мг/л. Оптимальное давление питание гидроциклонов первой ступени 0,25—0,3 МПа, а второй ступени очистки 0,15— 0,2 МПа. Контроль за работой гидроциклонов первой ступени очистки осуществляется системой автоматического регулирования. После гидроциклонов второй ступени очистки производственные сточные воды поступают в вихревые смесители, смешиваются с реагентом и далее подаются на скорые фильтры. Концентрация взвешенных веществ в очищенной сточной воде не превышает 5 мг/л. По проекту станции полной очистки производственных сточных вод для литейных цехов Горьковского автомобильного завода пропускная способность составляет 45 тыс. м3/сут. Очищенная сточная вода в количестве 40 тыс. м3/сут направляется на повторное использование в технологический процесс. Проблемной лабораторией ГИСИ им. В. П. Чкалова разработаны три системы автоматического регулирования гидроциклонов, входящих в состав этих очистных сооружений. Аппаратурное оформление систем отличается простотой в изготовлении и надежностью в работе. 89
? I Рис. 2.42. Схема установки гидроциклоиов с автоматическим регулированием для очистки сточных вод стекольного завода I — подача исходной сточной воды; // — подача осветленной воды на дальнейшую очистку: Ш — удаление осадка (вывоз автосамосвалами); / — приемный резервуар; 2— пропеллерная мешалка; 3— электронные сигнализаторы уровня; 4 — концентратомер; 5 — гндроцнклон НИЛ ОПОВ; 6 — приемник шлама; 7 — сборный трубопровод системы принудительного удаления влаги; 8 — скребковый транспортер; 9—система принудительного удаления влаги; 10— резервуар для шлама; II — переливной трубопровод; 12 — регулятор расхода шлама; 13 — система оптимального автоматического регулирования; 14 — песковой насос Рис. 2.43. Автоматический функциональный преобразователь Ш — шаблон; К — каретка; ИП\, ИПг — индукционные преобразователи; РД-09 — реверсивный электродвигатель; Тр — трансформатор; Дри Дрі — дроссели; Л,, Jit — электролампы; И вх И „ — входное и выходное напряжение На рис. 2.42 приведена схема установки гидроциклонов с автоматическим регулированием для очистки сточных вод стекольного завода. Исходная сточная вода поступает в приемный резервуар 1, оборудованный пропеллерной мешалкой 2 и электронными сигнализаторами уровня 3. Из приемного резервуара 1 Песковым насосом 14 сточная вода подается в напорный гидроциклон о. Работа гидроциклона автоматизирована, регулирование размеров шламового отверстия осуществляется системой оптимального регулирования 13 и электромеханического регулятора 12. Шлам гидроциклона поступает в шламовый резервуар 10, оборудованный скребковым транспортером 8, системой принудитель- 90
ного обезвоживания шлама 9. Установка может работать непрерывно и периодически. Система оптимального регулирования гидроциклонов включает: кон- центратомер 4, автоматический функциональный преобразователь (АФП), электромеханическую систему регулирования расхода шлама 12. Основным элементом системы оптимального регулирования является АФП, предназначенный для преобразования сигнала концентратомера в импульс, воздействующий на систему регулирования размеров шламового отверстия. Величина импульса должна обеспечить установку диаметра шламового патрубка dm« на оптимальном уровне. На подвижной каретке АФП (рис. 2.43) укрепляется шаблон Ш, профиль которого моделирует кривую, отражающую зависимость размеров шламового отверстия от концентрации взвешенных веществ в сточной воде. § 13. СЕТЧАТЫЕ БАРАБАННЫЕ ФИЛЬТРЫ Сетчатые барабанные фильтры предназначены для механической очистки производственных сточных вод. В зависимости от требуемой степени очистки и условий применения их можно оснащать сетчатым полотном с различной крупностью ячеек. В связи с этим сетчатые барабанные фильтры условно подразделяются на микрофильтры и барабанные сеткн, имеющие'следующие наименования: микрофильтры модернизированные МФМ и барабанные сетки БС, выпускаемые воронежским заводом «Вод- машоборудование», Рис. 2.44. Схемы очистных станций с вариантными решениями сооружений механической очистки а — I вариант: / — первичные радиальные отстойники: 2 — аэротенки; 3 — вторичные радиальные отстойники; б — II вариант: / — микрофильтры; 2 — аэротенки; 3 — вторичные радиальные отстойники; 4 — насосная станция; 5 — подача промывной воды Рис. 2.45. Схема установки сетчатого барабанного фильтра / — барабан; 2 — поперечные связи; 3 — продольные связи; 4— ребра жесткости; S — трубы опорожнения; 6 — входной канал; 7 —передняя рама; 8 — входная труба; 9 — аакладной патрубок; /д_ цевочное колесо; // —выпускная труба; 12 — передний подшипник; 13 — электродвигатель; 14 — редуктор; IS — шестерня; 16 — бункер; 17 — трубопровод промывной воды; 18 — разбрызгиватель; 19 — бактерицидные лампы; 20 — водослив; 21 — канал фильтрата; 22 — задняя рама; 23 — задний подшипник 91
Микрофильтры (МФМ) задерживают грубодисперсные частицы: растительные и животные структурные примеси, песок и др. Эффективность очистки воды на МФМ составляет 40-^-60 %, что позволяет в отдельных случаях заменять ими первичные отстойники, БПКдолн при совместной очистке бытовых и производственных сточных вод снижается на 25— 30%. Содержание взвешенных веществ в исходной воде не более 300 мг/л. Экономическая эффективность применения микрофильтров для механической очистки оценивается технико-экономическим расчетом, который производят применительно к I территориальному поясу по методике, разработанной во ВНИИ ВОДГЕО. При этом сравнивались два варианта технологических схем (рис. 2.44) при пропускной способности очистной станции 50, 100 и 200 тыс. м3/сут. В I варианте сточные воды очищаются по традиционной схеме, т.е. проходят решетки, песколовки, первичные радиальные отстойники, аэротенки, вторичные радиальные отстойники, хлораторную и выпускаются в водоем. По II варианту в целях интенсификации процесса очистки сточных вод первичные радиальные отстойники заменены микрофильтрами. Были приняты следующие исходные данные: эффективность осветления сточной воды по взвешенным веществам в первичных отстойниках и микрофильтрах при исходной концентрации взвешенных веществ 150—200 мг/л одинакова и составляет 40—45%; скорость фильтрования 25—30 м/ч. Микрофильтр оснащен сеткой с ячейками размером 0,04x0,04 мм; расход на промывку составляет 6 %; напор промывной воды 15 м. В первичных отстойниках для достижения такой же степени осветления период отстаивания принят 1,5 ч. Экономическая эффективность от применения микрофильтров вместо первичных отстойников возрастает с увеличением пропускной способности очистной станции. Для станций пропускной способностью 50, 100 и 200 тыс. м3/сут экономическая эффективность составляет соответственно 97, 223 и 386 тыс. руб/год. Барабанные сетки (БС) задерживают грубодисперсные примеси при отсутствии в воде вязких веществ, снижают содержание взвешенных веществ (при концентрации их в производственной сточной воде не более 250 мг/л) на 25—40 %. Их чаще всего устанавливают перед зернистыми фильтрами для глубокой очистки сточной воды. Применение БС для механической очистки производственных сточных вод допускается только в схемах полной биологической очистки с установкой их перед аэротенками. Впредь до накопления длительного опыта эксплуатации оборудования в подобных условиях использование БС может быть допущено лишь в опытном порядке. При соответствующем обосновании, подтвержденном специальными исследованиями, БС могут быть применены для очистки производственных сточных вод от грубодисперсных структурных примесей при условии, что эти воды не агрессивны к конструктивным элементами и не вызывают необратимого заиливания или биологического обрастания фильтрующей сетки, затрудняющих ее промывку. Эффективность очистки воды на БС и их пропускная способность зависят от состава загрязнений исходной воды, размера ячеек фильтрующей сетки, частоты вращения барабана, интенсивности промывки и других условий эксплуатации установок. На рис. 2.45 показана схема установки БС. Число резервных БС должно приниматься: при числе рабочих агрегатов 1—5 1 ' » > » > 6 и более • . 2 Барабанные сетки с диаметром барабана 1,5 м комплектуются на заводе полностью, а с диаметром барабана 3 м выпускаются в разобранном виде. 82
К процеживающим устройствам относятся и БС с бактерицидными лампами типа БСБ, рекомендуемые для механической очистки бытовых или близких к ним по составу производственных сточных вод при содержании взвешенных веществ в исходной воде не более 250 мг/л. Количество задерживаемых взвешенных веществ составляет 25%. При этом в сточной воде должны отсутствовать смолы, битум, масла, способные затруднить промывку сетки. Основные элементы БСБ выполняются из двух сеток: рабочей с размерами ячеек не более 8x8 и не менее 2X2 мм. Режим работы БСБ в схеме механической очистки сточных вод предусматривает непрерывную промывку, а суммарные потери напора на установке не должны превышать 0,5—0,6 м. Расход воды на промывку БСБ составляет 1 —1,5 % расчетной пропускной способности установок. Для предотвращения биологического обрастания сеток предусматривается облучение поверхности барабана бактерицидными лампами ДБ-60-1. Частота вращения барабана 1,7—2,6 мин-1. Скорость фильтрования 30—50 м/ч. Себестоимость очистки 1 м3 сточной воды в БСБ на станциях пропускной способностью 50 тыс. м3/сут составляет 0,14 коп., а 100 тыс. м3/сут — 0,11 коп. соответственно вместо 0,35 и 0,32 коп. при использовании первичных радиальных отстойников. Характеристика МФМ и БС, установленных в вентилируемых зданиях, при температуре воздуха не ниже 5 °С и относительной его влажности 60—75 °/о дана в табл. 2.14. Процесс микрофильтрования при любом расходе воды должен проходить при определенной частоте вращения барабана, при этом поток обрабатываемой воды не должен разрушать подслой. Продолжительность цикла микрофильтрования составляет 5—10 с. ТАБЛИЦА 2.14. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МИКРОФИЛЬТРОВ (МФМ) И БАРАБАННЫХ СЕТОК (БС) Показатели Расчетная пропускная способность, тыс. мэ/ч: МФМ для механической очистки сточных вод БС для механической очистки сточных вод БС (при установке перед фильтрами) для глубокой очистки сточных вод Число поясов барабана Площадь фильтрования, м' Частота вращения барабана, МИН Ориентировочные размеры установки, мм: длина ширина высота Номинальная мощность электродвигателя, кВт Ориентировочная масса, т Размер ячеек сетки, мм 0,035 или 0,04x0,04 0,3x0,3-г 0,5x0,5 0,3x0,34- 0,5x0,5 . — СП X HD 0,35 0,35 0,42 2 3,75 2,6 3620 1850 2750 2,2 2,2 Типоразмерь 00 X ю —• 0,5 0,55 0,62 3 5,6 2,6 4525 1850 2750 2,2 2,57 rt* X ю 0,65 0,75 0,84 4 7,5 2,6 5450 1850 2750 2,2 2,86 МФМ і ОО (м" X со 1,2 1,25 1,5 3 13 1,7 4545 3156 4240 3 3,1 і БС. м г-- rt X м 1,6 1,65 2 4 17,5 1,7 5450 3156 4240 3 3,4 ^г X rt 2 2,1 2,5 5 22 1.7 6375 3156 4240 3 3,8 Примечания: 1. В обозначение типоразмера сетчатых фильтров входят условные размеры диаметра и длины барабана. Например, МФМ 1,5x2,8 означает, что барабан имеет условный диаметр 1,5 и длину 2,8 м. 2, Пропускная способность барабанных сеток должна уточняться по результатам технологических изысканий, 3. Выбор фильтрующей сетки установок, применяемых для очистки производственных сточных вод, производится на основании специальных исследований. 93
10 ЗО 50°°' Скооость qiu/іьтробания, муч 130 При использовании микро- фильтров для механической очистки сточных вод взамен первичных отстойников их располагают перед аэротенками (после решеток и песколовок). В соответствии с техническими указаниями НИИ КВОВ АКХ им. К. Д. Памфилова сетчатые барабанные фильтры имеют следующие типоразмеры: при условном диаметре барабана 1,5 и Зм длину 1,9 (только для первого типоразмера) и 2,8; 3,7 и 4,6 м (только для второго типоразмера). Производительность микрофильтров, применяемых для очистки производственных сточных вод, определяется на основании исследований. Основные параметры работы микрофильтров, применяемых для очистки призводственных сточных вод, представлены в табл. 2.15. ТАБЛИЦА 2.15. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ РАБОТЫ МИКРОФИЛЬТРОВ Рис. 2.46. Обобщенный график режима эксплуатации сетчатого фильтра Сточные воды Концентрация взвешенных веществ, мг/л исходная 160 190 120 240 89 148 175 конечная 96 87,4 65 118 11,4 10,2 79 Потерн давления. Па 2000 2400 2500 2500 2400 — 2200 Скорость фильтрования, м/ч 20 35 30 35 29 40—15,8 25 Эффективность очистки, % 55 54 46 52 37,2 92,1 55 Частота вращения барабана, мнн * 5 5 5 5 4 4 3 Размер ячеек микросеткн, мкм 40 40 40 40 40 40 40 Бумажной промышленности (Харьков) Азотной промышленности (Новомосковск) То же, (Щекиио) Текстильной промышленности (Ногинск) Химической промышленности: при непрерывной промывке при периодической промывке Бытовые (Таллин) 6 3-5 3-5 3-5 10—15 0,2-1,2 7 Процесс работы микрофильтров и выбор оптимального режима их эксплуатации для очистки смеси городских и производственных сточных вод определяется по обобщенному графику (рис. 2.46), полученному на основании экспериментов при следующих условиях: начальная концентрация взвешенных веществ изменялась в диапазоне от 60 до 300 мг/л; потери напора составляли 0,015—0,02 МПа; расход воды на промывку микросетки равен 3—5 % производительности установки. По данным обобщенного графика рекомендуются следующие параметры микрофильтрования при механической очистке городских и близких к ним по составу производственных сточных вод: Скорость фильтрования, м/ч 30 Частота вращения барабана, мин-' 10 Продолжительность фильтроцикла, с 9 Размер ячеек микросетки, мкм 90 Эффективность осветления, % 45 § 14. ФИЛЬТРЫ Одним из путей интенсификации фильтрования сточных вод является применение новых фильтрующих материалов. Перспективным является использование плавающих загрузок из различных полимерных мате-
риалов, обладающих достаточной механической прочностью, химической стойкостью, высокими площадью актиэной свободной поверхности и пористостью. К числу таких материалов относятся полистирол различных марок (в том числе пенополистирол), пенополиуретан, а также гранулы керамзита, котельные и металлургические шлаки. В зависимости от содержания и характера взвешенных веществ в сточной воде, подаваемой на очистные сооружения, а также от пропускной способности станции принимаются следующие основные схемы фильтрования: через многоярусные или многослойные фильтры с загрузкой по убывающей крупности гранул по ходу осветляемой воды снизу вверх; через фильтры большой грязеемкости при фильтровании воды сверху вниз с горизонтальным направлением фильтрования; с непрерывной регенерацией загрузки. Фильтры с плавающей пенополистирольной загрузкой применяются для очистки шахтных сточных вод of взвешенных веществ донецким управлением Теплоэнергоавтоматика на шахте № 12—13 комбината Макеевуголь. Там сооружена установка, состоящая из двух фильтров, в которых в качестве плавающей фильтрующей загрузки использовались вспененные гранулы пенополистирола. Этот материал износоустойчив, водонепроницаем, нетоксичен, имеет достаточную механическую прочность и высокую адгезионную способность '(плотность 0,01 — 0,03 г/см3). Конструктивно фильтр выполнен в виде восьмигранной призмы, верх и низ которой соединены с восьмигранными конусами, заканчивающимися соединительными фланцами. Внутри фильтра находятся два слоя гранул, разделенных удерживающими сетками. В нижнем слое, служащем для предварительного фильтрования, применяются гранулы диаметром 2—5 мм, верхний слой загрузки с гранулами диаметром 0,3—2 мм предназначен для более глубокого фильтрования. Техническая характеристика фильтра с плавающей пенополистирольной фильтрующей загрузкой Пропускная способность, м3/ч 50 Число слоев фильтрующей загрузки 2 Толщина слоя, м: нижнего 0,5 верхнего , . . . 1 Потери давления в загрузке, МПа (не более) 0,11 Рабочая площадь фильтрования, м2 6 Максимальное содержание взвешенных веществ в воде, мг/л: исходной 350 осветленной 20 Продолжительность одного фильтроцикла (при скорости фильтрования 8,6 м/ч), ч 6 Расход воды на регенерацию фильтрующей загрузки, м3 . . . 15 Продолжительность регенерации, мин Ю Масса, кг: фильтра , t> • 5300 фильтрующей загрузки 300 Фильтрование происходит следующим образом. Загрязненная сточная вода подается на фильтр снизу вверх. Нижний и верхний слои пенополистирола всплывают, поджимаются к удерживающим сеткам и уплотняются. При этом происходит снижение содержания взвешенных веществ с 350 мг/л в исходной воде до 20 мг/л в осветленной. Прошедшая через фильтр и обеззараженная в хлораторной вода пригодна для технических нужд. Часть осветленной воды накапливается в аккумулирующем баке, установленном над фильтром, и используется для отмывки загрязненных гранул. Потери давления в фильтрующей загрузке не превышают 0,11 МПа, что позволяет подавать шахтную воду на фильтры непосредственно насосами центрального шахтного водоотлива. При промывке гранул вода из аккумулирующего бака подается 05
сверху, фильтрующий слой разрыхляется и увеличивается в объеме на 25—30 %, что способствует интенсивной промывке гранул. Напорные фильтры с плавающей пенополистирольной загрузкой для очистки окалино-маслосодержащих сточных вод, рекомендуемые вместо фильтров с зернистой загрузкой, представляют собой вертикальные резервуары с наклонным днищем (рис. 2.47). Они загружены вспененными гранулами полистирола крупностью 2—5 мм, высота фильтрующего слоя составляет 2,0—2,5 м. Направление фильтрации — снизу вверх со скоростью 30 м/ч. Проект фильтров разработан харьковским Водоканалпроектом по рекомендации Донецкого филиала ВНИПИчерметэнергоочи- стка для глубокой очистки производственных и дождевых вод. Производительность одного фильтра 184 м3/ч. В исходной сточной воде содержится 60 мг/л взвешенных веществ и 15 мг/л масел, а в очищенной воде, используемой в системе оборотного водоснабжения, — соответственно 20 и 3 мг/л. Применение напорных фильтров с плавающей пенополистирольной загрузкой вместо фильтров с зернистой загрузкой приводит к некоторому уменьшению капитальных затрат и сокращению эксплуатационных расходов. Фильтры с пенополиуретано- вой загрузкой («Полимер-300» и «Полимер-500») предназначаются Рис. 2.47. Схема установки напорного фильтра / с плавающей загрузкой / — пробоотборные краны; 2— трехходовые краны; 3 — манометры; 4 — трубопроводы для контроля давления; 5, 10 — трубопроводы гидроперс- грузки полистирола; 6 — расходомер; 7 — задвижка с электроприводом: 8 — затвор шланговый с электроприводом; 9 — трубопровод осветленной воды; //— шламопровод; 12 — трубопровод для подачи сточной воды на очистку; 13 — сливная воронка; 14 — дренажный лоток 5.13(9.13} ф t- Рис. 2.48. Фильтр прямоугольный пенополиуретановый для очистки сточных вод от нефте- маслопродуктов пропускной способностью, 2 400—10 000 м3/ /сут [«Полимер-300» и «Полимер-500» (в скобках приведены размеры для фильтра «Полимер-500»)] 7 —подача сточных вод; 2 — отвод регенерата; 3 — узел регенерации (передвижной); 4 — элеватор ковшовый: 5 —резервуар; 6 — переливная труба: 7 — отвод очищенных сточных вод; 8 — пенополиуретано- вая загрузка 96
для очистки невзрывоопасных сточных вод машиностроительных предприятий от нефтепродуктов и масел, находящихся в виде нестойких эмульсий и имеющих рН = 6ч-9 (рис. 2.48). Сточные воды, содержащие отработанные смазочно-охлаждающие жидкости, а также сточные воды гальванических, травильных и окрасочных отделений могут подаваться на пенополиуретановые фильтры только после обработки их на локальных очистных сооружениях. Для обеспечения требуемой степени очистки сточных вод эти фильтры рекомендуется применять после решеток, песколовок и нефтеловушек. Техническая характеристика фильтра с пенополиуретановой загрузкой Скорость фильтрования, м/ч до 25 Содержание в исходной сточной воде, мг/л: масел 150 взвешенных веществ Ю Остаточное содержание масел и взвешенных веществ в очищенной воде, мг/л ¦ < 10 Продолжительность фильтроцикла для «Полимсра-300» или «По- лимера-500», ч 22 Продолжительность регенерации, ч: для «Полимера-300» 1,2 » «Полимера-500» 2 Установленная мощность, кВт 6 Фильтры должны эксплуатироваться при температуре окружающего воздуха не ниже 5 °С. Электромагнитные фильтры конструкции ВНИИ ВОДГЕО предназначены для очистки или глубокой очистки сточных вод от механических загрязнений, содержащих более 25% ферромагнитных примесей, с исходной концентрацией твердых частиц до 200 мг/л и масел до 50 мг/л. Они могут применяться в системах производственного водоснабжения металлургических, горно-обогатительных, металлоообрабатывающих предприятий, на электростанциях для очистки охлаждающей и многократно используемой воды, а также конденсата от продуктов коррозии. В качестве фильтрующих элементов в электромагнитных фильтрах применена зернистая загрузка из ферромагнитных материалов крупностью 1—3 мм. Фильтрование очищаемой сточной воды производят при наложении магнитного поля, промывку — без его применения. Высокоскоростной электромагнитный фильтр рекомендуется Харьковским отделом ВНИИ ВОДГЕО для очистки сточных вод закалочных машин прокатного производства. К этим водам, используемым в системах оборотного водоснабжения, предъявляются высокие требования: содержание взвешенных веществ — не более 30 мг/л (при отсутствии масел); крупность частиц — не более 0,2 мм. Фильтр состоит из корпуса, магнитной системы, представляющей собой катушки индуктивности с магнитопроводами, между которыми расположена фильтрующая зернистая загрузка из ферромагнитного материала, а также устройств для подвода и отвода сточной воды. При наложении магнитного поля определенной напряженности зернистая загрузка уплотняется и вследствие уменьшения пористости приобретает высокую фильтровальную способность, что позволяет задерживать на фильтре наряду с магнитными и немагнитные компоненты из состава взвешенных веществ (окалины). Процессы работы и промывки фильтра автоматизированы. Расчетные параметры высокоскоростного электромагнитного фильтра диаметром 3 м Пропускная способность, м3/ч 300—500 Продолжительность рабочего цикла (при концентрации механических примесей 50—200 мг/л), ч . 2—6 Продолжительность промывки, мин 2—5 7—17.9 97
Разрез и offaiuu бид Ллан в й, Рис. 2.49. Напорный вертикальный фильтр с зернистой загрузкой / — подача воды на очистку; 2 — фильтрующий слой из зернистой загрузки; 3 — верхнее распределительное устройство; 4 — контрольный эллиптический лаз; 5 — круглый лаз; 6 — подвод промывной воды; 7 — отвод первого фильтрата; 8 — отвод очищенной воды; 9 — отвод промывной воды; 10 — подвод сжатого воздуха; 11 — штуцер для гидравлической выгрузки и загрузки фильтра Расход промывной воды, % пропускной способности фильтра 2—5 Потери давления в фильтре, МПа 0,2—0,5 Потребляемая мощность, кВт иа 1 м3 сточной воды . . . 0,10—0,15 Эффективность осветления, % г . . 85—98 Внедрение разработанных конструкций электромагнитных фильтров в практику промышленной водоподготовки вместо отстойников или песчаных фильтров может дать годовой экономический эффект по приведенным затратам 150—300 тыс. руб. на 10 000 м3 очищаемой воды в 1 ч. Напорные вертикальные фильтры с зернистой загрузкой применяются для механической очистки нефтесодержащих сточных вод после их гравитационного отстаивания (рис. 2.49). Фильтр представляет собой стальной вертикальный резервуар обычно заводского изготовления. Он рассчитывается на давление до 0,6МПа и загружается, как правило, кварцевым песком слоем 1 м. В качестве загрузки могут быть использованы дробленый антрацит, керамзит, керамическая крошка. Б табл. 2.16 приведены данные по напорным фильтрам, выпускаемым таганрогским заводом «Красный котельщик». ТАБЛИЦА 2.1в. ОСНОВНЫЕ РАЗМЕРЫ, мм, НАПОРНЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ФИЛЬТРОВ Тип ФОВ-2,0-6 ФОВ-2,6-6 ФОВ-3,0-6 ФОВ-3,4-6 °У 2000 2500 3000 3403 н ,3233 3505 3773 3932 670 810 935 900 243 195 22Ї 220 d 150 200 250 250 80 100 125 125 80 100 100 100 Примечание. Первая цифра буквенного обозначения фильтра означает его диаметр, м; вторая — рабочее давление, кгс/см2. 98
Напорные фильтры имеют направление фильтрования сверху вниз, скорость фильтрования 5—12 м/ч, а продолжительность фильтроцикла 12—48 ч в зависимости от характера нефтесодержащих сточных вод (меньшая величина при значительном содержании в воде железа). Остаточное содержание в воде нефтепродуктов допускается 7—20 мг/л (начальное содержание 40—80 мг/л), механических примесей—10— 20 мг/л (начальное содержание 30—60 мг/л). Грязеемкость зернистых фильтров может быть принята по задержанию нефти, равной 1—2 кг/м3, и механических примесей— 1,5—3 кг/м3. Эффективность фильтрования повышается при добавлении в воду 5— 10 мг/л коагулянта A12(SO4K и 0,2—0,3 мг/л флокулянта ПАА. Потери напора в фильтрах достигают 0,9—1,3 м @,009—0,13 МПа). Фильтры промывают через дренажную систему снизу вверх. При крупности частиц песка 0,7—0,8 мм интенсивность промывки принимается 10—12 л/(с-м2), а при крупности 1—1,2 мм—14—16 л/(с-м2); продолжительность промывки составляет 10—20 мин. Наиболее высокая эффективность промывки достигается при использовании горячей воды F0—80 °С). § 15. ЦЕНТРИФУГИ И ЖИДКОСТНЫЕ СЕПАРАТОРЫ Центрифуги. Для очистки производственных сточных вод от мелкодисперсных загрязнений применяют осадительные центрифуги непрерывного и периодического действия типа ОГШ и ОТР, ОМ. Условия применения центрифуг следующие: 1) локальная очистка производственных сточных вод, когда осадок представляет собой ценный продукт, который может быть утилизирован; 2) мелкодисперсный состав загрязнений, когда для их выделения не могут быть применены реагенты. Центрифуги непрерывного действия типа ОГШ и др. применяются при очистке сточных вод с расходом до 50—100 м3/ч, когда требуется выделить частицы гидравлической крупностью 0,2 (противоточные) и 0,05 мм/с (прямоточные). Центрифуги периодического действия применязтся для очистки сточных вод, расход которых не превышает 20 м3/ч, при необходимости выделения частиц гидравлической крупностью 0,05—0,01 мм/с. Концентрация механических загрязнений не должна превышать 2—3 г/л. Подбор необходимого типоразмера осадительной центрифуги производят по каталогу. Жидкостные сепараторы можно применять для аналогичных целей в некоторых отраслях промышленности, например для очистки стопных вод в медицинской промышленности, а также от каныги на мясокомбинатах (до настоящего времени вся эта масса перегружала городские очистные сооружения; для отделения воды от каныги перед спуском в канализацию или в водоемы рекомендуется устанавливать сепаратор АСЕ-3). Более подробно о конструкции и использовании центрифуг и жидкостных сепараторов для очистки сточных вод и обработки осадка см. в справочнике проектировщика «Канализация населенных мест и промышленных предприятий» (под общ. ред. В. Н. Самохина. М., Строй- издат, 1981). § 16. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СООРУЖЕНИЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ Стоимость сооружений механической очистки производственных сточных вод составляет 20—30 % капитальных вложений и 15—20 % годовых эксплуатационных расходов соответственно от общих капитальных затрат и эксплуатационных расходов на весь комплекс соору- 7* 99
жений систем водоснабжения и канализации. Экономия может быть достигнута при применении наиболее совершенных конструкций аппаратов (например, микрофильтров или решеток — табл. 2.17), выбор которых ТАБЛИЦА 2.17. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДЛЯ ЗДАНИИ С ТРЕМЯ РЕШЕТКАМИ ТИПА РМУ (К ТИПОВОМУ ПРОЕКТУ 902-2-367.83) Показатели Пропускная способность очистной станции, тыс. мэ/сут . . Строительный объем, м3 . . . Сметная стоимость, тыс. руб.: строительно-монтажных работ Стоимость 1 м3 здания, руб. . Потребляемая мощность, кВт Расход электроэнергии, тыс. кВт-ч/год Расход питьевой воды, л/с . . Тип решеток РМУ-2 50—80 592 26,08 17,14 28,95 5,7 49,3 0,1 РМУ-З с вывозом отбросов 100 827 36,29 23,17 28,02 8,3 67,7 0,1 РМУ-З с дроблением отбросов 100—140 1782 47,18 36,54 20,51 21,4 187,4 0,1 РМУ-4 140—200 2161 57,44 43,3 20,04. 55 481,8 0,1 РМУ-5 200—280 2360 62,75 47,1 19,95 55 481,8 0,1 определяется пропускной способностью станции. Для крупных очистных станций предпочтение следует отдавать железобетонным радиальным отстойникам с тонкослойными блоками или с периферийной подачей сточной воды. Преимущество радиальных отстойников заключается в механизированной выгрузке осадка и эффективном удалении всплывающих примесей. Компактные очистные сооружения средней пропускной способности обусловливают применение железобетонных прямоугольных отстойников горизонтального типа, обладающих рядом конструктивных особенностей. Так, если в первичных отстойниках применяются традиционные скребки, то во вторичных отстойниках используются илососы, движущиеся в продольном направлении. Блок технологических емкостей, включающий первичные отстойники, может иметь круглую в плане фому с концентрическим расположением отдельных сооружений. Однако такая компоновка представляет значительные трудности при развитии очистной станции, и поэтому отдается предпочтение блокам технологических емкостей, прямоугольной формы. Эффективность компактных решений заключается не только в сокращении строительных площадей, но и приносит дополнительные выгоды: сокращение размеров строительных конструкций, технологических коммуникаций и внутриплощадочных дорог; уменьшение объемов земляных работ, а также расходов на инженерное благоустройство территории, включая затраты на водопонижение и озеленение. Увеличение продолжительности отстаивания сточной воды в первичных отстойниках обусловливает более глубокое удаление органических примесей, поддающихся биологическому окислению, что, в свою очередь, приводит к меньшей продолжительности окисления примесей осветленной воды. Однако при исходной концентрации взвешенных веществ 150 мг/л и аналогичной концентрации органических веществ увеличение объема первичных отстойников в 2 раза обеспечивает уменьшение объема аэротенков всего на 9 %, при увеличении объема первичных отстойников в 3 раза снижение объема аэротенков составляет 18,5%, а при концентрациях исходных загрязнений 200 и 250 мг/л и увеличение объема первичных отстойников в 2 раза приводит к снижению требуемого объема аэротенков только на 8 %, а в 3 раза — на 15,6%. Следовательно, при очистке сточных вод, содержащих полидисперсные взвешенные 100
вещества и примеси, окисляющиеся биологически в основном в виде коллоидно- и истинно растворенных веществ, для достижения минимального объема емкостных сооружений очистной станции первичные отстойники могут быть рассчитаны не более чем на 0,5-часовое пребывание в них воды. При начальной концентрации загрязнений менее 150 мг/л на очистной станции могут отсутствовать первичные отстойники. Это справедливо только для производственных сточных вод, сходных по-составу с городскими. Если очистные сооружения предназначены для производственных сточных вод иного состава и свойств, то решающими факторами будут: фазовый состав примесей по их количественному соотношению и биологической окисляемости отдельных фаз; кинетика выпадения взвешенных веществ. Для описания эффективности снижения БПК Э, %, в первичных радиальных отстойниках МИСИ им. В. В. Куйбышева предложена линейная зависимость вида: Э = 9/-Н0,065БПК5 — °.8). B-23) где t — продолжительность первичного отстаивания, ч; БПКб — величина БПК5 исходной сточной воды, мг/л. Сравнение расчетной формулы с экспериментальными данными московских станций аэрации показало их хорошую сходимость. Самым значимым параметром экономической оценки следует считать коэффициент экономической эффективности капитальных вложений, который определяет прибыль на 1 руб. Ориентируясь на этот коэффициент, можно утверждать, что для станций средней пропускной способностью 100 тыс. м3/сут наиболее рентабельными будут очистные сооружения, где продолжительность первичной обработки при концентрации взвешенных веществ 150 мг/л составит 0,5 ч, при их концентрации 200— 250 мг/л — 1,5 ч (очистная станция с метантенками) при количестве производственных сточных вод в общем стоке не менее 40%. Для снижения содержания загрязняющих веществ в отстоенных сточных водах сверх эффективности, обеспечиваемой первичными отстойниками, а также для извлечения (за счет сорбции) ионов тяжелых металлов и других загрязняющих веществ, неблагоприятно влияющих на. процесс биологической очистки, применяются преаэраторы и биокоагуляторы. Высокоэффективным сооружением механической очистки является многополочный сгуститель, применяемый, для осветления высококонцентрированных производственных сточных вод на предприятиях цветной металлургии. Экономическая эффективность от применения этого сооружения на одном из заводов составила 15 тыс. руб/год. Дальнейшим развитием методов очистки производственных сточных вод, содержащих механические примеси, является внедрение очистки с применением гидроциклонов и центрифуг, а также отстаивание с предварительной магнитной обработкой производственных сточных вод. Основным направлением очистки производственных сточных вод является их подготовка для повторного использования в производственном процессе. Об экономической эффективности оборотного водоснабжения дают представление такие цифры: если бы оборотное водоснабжение не внедрялось столь интенсивно, то в настоящее время потребление воды из природных источников увеличилось бы примерно на 40%. При этом пришлось бы догіолнительно расходовать до 6 млрд. руб/год, чтобы обеспечить возросшую подачу воды для нужд производства.
ГЛАВА 3. ХИМИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД Основными методами химической очистки производственных сточных вод являются нейтрализация и окисление. К окислительным методам относится также электрохимическая обработка. Химическая очистка может применяться как самостоятельный метод перед подачей производственных сточных вод в систему оборотного водоснабжения, а также перед спуском их в водоем или в городскую канализационную сеть. Применение химической очистки в ряде случаев целесообразно (в качестве предварительной) перед биологической или физико-химической очисткой. Химическая обработка находит применение также и как метод глубокой очистки производственных сточных вод с целью их дезинфекции, обесцвечивания или извлечения из них различных компонентов. При локальной очистке производственных сточных вод в большинстве случаев предпочтение отдается химическим методам. § 17. НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ Производственные сточные воды от технологических процессов многих отраслей промышленности содержат щелочи и кислоты. В большинстве кислых сточных вод содержатся соли тяжелых металлов, которые необходимо выделять из этих вод. С целью предупреждения коррозии материалов канализационных очистных сооружений, нарушения биохимических процессов в биологических окислителях и водоемах, а также осаждения из сточных вод солей тяжелых металлов кислые и щелочные стоки подвергают нейтрализации. Реакция нейтрализации — это химическая реакция между веществами, имеющими свойства кислоты и основания, которая приводит к потере характерных свойств обоих соединений. Наиболее типичная реакция нейтрализации в водных растворах происходит между гидратиро- ваннымн ионами водорода и ионами гидроксида, содержащимися соответственно в сильных кислотах и основаниях: Н+ + ОН~=Н2О. В результате концентрация каждого из этих ионов становится равной той, которая свойственна самой воде (около Ю~7), т.е. активная реакция водной среды приближается к рН=7. При спуске производственных сточных вод в водоем или в городскую канализационную сеть практически нейтральными следует считать'смеси с pH = 6,5-f-8,5. Следовательно, подвергать нейтрализации следует сточные воды с pH менее 6,5 и более 8,5, при этом необходимо учитывать нейтрализующую способность водоема, а также щелочной резерв городских сточных вод. Из условий сброса производственных сточных вод в водоем или городскую канализацию следует, что большую опасность представляют кислые стоки, которые встречаются к тому же значительно чаще, чем щелочные (количество производственных сточных вод с рН>8,5 невелико). Если отработанные производственные сточные воды подаются в систему оборотного водоснабжения, то требования к величине активной реакции зависят от специфики технологических процессов. Наиболее часто сточные воды загрязнены минеральными кислотами: серной H2SO/,, азотной HNO3, соляной НО, а также их смесями. Значительно реже в сточных водах встречаются азотистая HNO2, фосфорная Н3РО4, сернистая H2SO3, сероводородная H2S, плавиковая HF, хромовая Н2Сг04 кислоты,- а также органические кислоты: уксусная СНдСООН, пикриновая HOC6H2(NO2K, угольная Н2СО3, салициловая С6Н4(ОНJ и др. Концентрация кислот в сточных водах обычно не превышает 3 %, но иногда достигает большей величины, например в отдельных производст- 102
вах органического синтеза содержание серной кислоты в сточных водах составляет 40 % и более. При химической очистке применяют следующие способы нейтрализации: а) взаимная нейтрализация кислых и щелочных сточных вод; б) нейтрализация реагентами (растворы кислот, негашеная известь СаО, гашеная известь Са(ОНJ, кальцинированная сода Na2CO3, каустическая сода NaOH, аммиак NH3OH); в) фильтрование через нейтрализующие материалы [известь, известняк СаО3, доломит CaCCVMgCOa, магнезит MgCO3, обожженный магнезит MgO, мел СаСОз (96—99 %)]. Выбор способа нейтрализации зависит от многих факторов: вида и концентрации кислот, загрязняющих производственные сточные воды; расхода и режима поступления отработанных вод на нейтрализацию; наличия реагентов; местных условий и т. п. В зависимости от исходных данных по табл. 3.1 можно ориентировочно назначить способ нейтрализации кислых вод. ТАБЛИЦА 3.1. УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ СПОСОБОВ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ КИСЛЫХ СТОЧНЫХ ВОД Кислота, содержащаяся в сточных водах Серная Соляная и азотная Углекислота и другие слабые кислоты Концентрация кислоты, г/л <1,5 >1,5 <1,5 >1,5 — — Режим притока Равномерный Неравномерный Равномерный Неравномерный Равномерный Неравномерный Способ нейтрализации смешением со щелочными сточными водами + + + + + + + раствором нзвести + О О + О + О известняка О О + О — фильтрованием через известняк 1 1 1 1 + + — доломит 1 + 1 + + + — 1 + 1 + 1 + + — Условные обозначения: « + »— применение способа рекомендуется; «о» — применение способа допускается; «—» — применение способа не рекомендуется. В последнее время предложен способ нейтрализации щелочных сточных вод дымовыми газами. Применение отходящих газов, содержащих СО2, SO2, NO2 и др., позволяет одновременно нейтрализовать сточные воды и производить очистку газов от вредных компонентов. Нейтрализация сточных вод путем смешения кислых сточных вод со щелочными. Режимы сброса сточных вод, содержащих кислоту и отработанную щелочь, как правило, различны. Кислые воды обычно сбрасываются в канализацию равномерно в течение суток и имеют постоянную концентрацию; щелочные воды сбрасываются периодически по мере того, как сбрасывается щелочной раствор. В связи с этим для щелочных вод часто необходимо устраивать регулирующий резервуар, объем которого должен быть достаточным, чтобы принять суточное количество щелочных сточных вод. Из резервуара эти воды равномерно выпускают в камеру реакции, где в. результате смешения их с кислыми сточными водами происходит взаимная нейтрализация. Баланс кислых и щелочных сточных вод составляют на период, в течение которого производится выпуск этих вод от всех цехов и агрегатов, в том числе таких, от которых сточные воды спускаются периодически. 103
Метод взаимной нейтрализации кислых и щелочных сточных вод широко используют на предприятиях химической промышленности. Нейтрализация сточных вод путем добавления реагентов. Если на промышленных предприятиях имеются только кислые или только щелочные сточные воды либо если невозможно обеспечить взаимную нейтрализацию, применяют реагентный метод нейтрализации. Этот метод наиболее широко используют для нейтрализации кислых сточных вод. Выбор реагента для нейтрализации кислых сточных вод зависит от вида кислот и их концентрации, а также от растворимости солей, образующихся в результате химической реакции. Для нейтрализации минеральных кислот применяют любой щелочной реагент, но чаще всего известь в виде пушонки или известкового молока и карбонаты кальция или магния в виде суспензии. Эти реагенты сравнительно дешевы и общедоступны, но имеют ряд недостатков: при этом обязательно устройство усреднителей перед нейтралнзационной установкой, затруднительно регулирование дозы реагента по pH нейтрализованной воды, сложно реагентное хозяйство. Скорость реакции между раствором кислоты и твердыми частицами суспензии относительно невелика и зависит от размеров частиц и растворимости образующегося в результате реакции нейтрализации'соединения. Поэтому окончательная активная реакция в жидкой фазе устанавливается не сразу, а по истечении некоторого времени A0—15 мин). Сказанное выше относится к сточным водам, содержащим сильные кислоты (H2SO4, H2SO3), кальциевые соли которых труднорастворимы в воде. При нейтрализации производственных сточных вод, содержащих серную кислоту, реакция в зависимости от применяемого реагента протекает по уравнениям Сэ(ОНJ = CaSO4 + 2Н2О; H2SO4 + СаСО3 = CaSO4 + Н2О + СО2. Образующийся в результате нейтрализации сульфат кальция (гипс) кристаллизуется из разбавленных растворов в виде CaSO4-2H2O. Растворимость этой соли при температуре 0—40 °С колеблется от 1,76 до 2,11 г/л. При более высокой концентрации сульфат кальция выпадает в осадок, поэтому при нейтрализации сильных кислот, кальциевые соли которых труднорастворимы в воде, необходимо устраивать отстойники- шламонакопители. Существенным недостатком метода нейтрализации серной кислоты известью является также образование пересыщенного раствора гипса (коэффициент пересыщения может достигать 4—6), выделение которого из сточной воды может продолжаться несколько суток, что приводит к зарастанию трубопроводов и аппаратуры. Присутствие в сточных водах многих химических производств высокомолекулярных органических соединений усиливает устойчивость пересыщенных растворов гипса, поскольку эти соединения сорбируются на гранях кристаллов сульфата кальция и препятствуют их дальнейшему росту. Для уменьшения коэффициента пересыщения используется метод рециркуляции образующегося в результате нейтрализации осадка сульфата кальция. Концентрация ионов кальция в сточной воде уменьшается при увеличении дозы рециркулирующего осадка; продолжительность перемешивания этой воды должна быть не менее 20—30 мин. Для уменьшения зарастания трубопроводов, по которым транспортируются нейтрализованные известью сернокислотные стоки, применяют методы промывки, увеличивают скорость транспортирования, а также заменяют металлические трубопроводы на пластмассовые. Для нейтрализации органических жирных кислот применяют известь, содержащую не менее 25—30 % активного оксида кальция, или смесь извести с 25 %-ной технической аммиачной водой. 104
ТАБЛИЦА 3.3. РАСХОД РЕАГЕНТОВ, кг/кг, ДЛЯ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ 100 %-ных КИСЛОТ И ЩЕЛОЧЕЙ Доза реагента для обработки сточных вод определяется из условия полной нейтрализации содержащихся в них кислот или щелочей и принимается на 10 % больше расчетной (табл. 3.2). Поскольку в кислых и щелочных производственных сточных водах практически всегда присутствуют ионы металлов, то дозу реагента следует определять с учетом выделения в осадок солей тяжелых металлов (табл. 3.3). Количество реагентов G, кг, для нейтрализации сточных вод определяется по формуле 100 G = k——-QaA, C.1) в где k — коэффициент запаса расхода реагента по сравнению с теоретическим, равный для известкового молока 1,1, для известкового теста и сухой извести 1,5; В — количество активной части в товарном продукте, %; Q — количество сточных вод, подлежащих нейтрализации, м3; і— расход реагента для нейтрализации, кг/кг (см. табл. 3.2); А— концентрация кислоты или щелочи, кг/м3. При нейтрализации кислых сточных вод, содержащих соли тяжелых металлов, количество реагентов G, кг, будет: G = km Щелочь Известь: негашеная гашеная Сода: кальцинированная каустическая Аммиак Кислота к серна [ 0,56 1,79 0,76 1,32 1,08 0,93 0,82 1,22 0,35 — 2,88 . те К с; о и 0,77 ,1,3 1,01 0,99 1,45 0,69 1,1 0.9V 0,47 2,12 К ПЗ 0,46 2,2 0,59 1,7 0,84 Г7І9 0,64 1,57 0,27 3,71 я уксус 0,47 2,15 0,62 1,62 0,88 1,14 0,67 1,5 ? Примечание. Над чертой указан расход щелочи, под чертой — расход кислоты. ТАБЛИЦА 3.3. РАСХОД РЕАГЕНТОВ, кг/кг, ТРЕБУЕМЫХ ДЛЯ УДАЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ЬпС„), C.2) Металл Цинк Никель Медь Железо Свинец Реагент СаО 0,85 0,95 0,88 1 0,27 Са (ОН,, 1,13 1,26 1,16 1,32 0,36 NajCO, 1,6 1,8 1,66 1,9 0,51 NaOH 1,22 1,36 1,26 1,43 0,38 где С|, Сі Сп — концентрации металлов в сточных водах, кг/м3; b\; Ьь ..., Ьп — расход реагентов, требуемых для перевода металлов из растворенного состояния в осадок, кг/кг (см. табл. 3.3). Например, при нейтрализации гашеной известью сточных вод, поступающих после травления черных металлов серной кислотой, происходят следующие реакции: с серной кислотой H2SO4 + Са(ОНJ = CaSO4 + 2Н2О; 98 74 136 36 с сульфатом железа FeSO4 + Са(ОНJ = CaSO4 + Fe(OHJ. 152 74 136 90 На основании приведенных выше реакций или данных табл. 3.2 и 3.3, а также по содержанию серной кислоты и железа в отработанных травильных растворах (соответственно А и С) можно определить количество гашеной извести, кг, необходимой на нейтрализацию кислых сточных вод и осаждение железа: 100 ¦C@,76Л+ 1,32С). C.3) Количество сухого вещества осадка М, кг, которое образуется при нейтрализации 1 м3 сточной воды, содержащей свободную серную кислоту и соли тяжелых металлов, определяется по формуле 105
100 — Ь в («і 4- *2) + Ч + O/i — У2 — 2), C.4) где В — содержание активной СаО в используемой извести, %; *i, л2 — количество активной СаО, необходимой соответственно для осаждения металлов и для нейтрализации свободной серной кислоты, кг; Хз — количество образующихся гидроксидов металлов, кг; yt, у? — количество сульфата кальция, образующегося при осаждении соответственно металлов и при нейтрализации свободной серной кислоты, кг. Если значение третьего члена в формуле C.4) отрицательно, то он не учитывается. Объем осадка Voc, %, образующегося при нейтрализации 1 м3 сточной воды, можно найти по уравнению ЮМ ^ C5) 100 — W, где Wan — влажность осадка, %. Рис. 3.1. Принципиальная схема станции реагентной нейтрализации /, // — подача соответственно кислых и щелочных сточных вод; ///, IV — выпуск соответственно нейтрализованных сточных вод н осадка: / — песколовки; 2— усреднители; 3 — склад реагентов; 4 — растворные баки; 5 — дозатор; 6 — смеситель; 7—нейтрализатор; 8 —отстойник; 9 — осадкоуплотнитель; 10 — вакуум-фильтр; 11 — накопитель обезвоженных осадков; 12 — шламовые площадки Процессы реагентной нейтрализации производственных сточных вод осуществляются на нейт- рализационных установках или станциях (рис. 3.1). Песколовки предусматриваются при наличии в сточных водах тяжелых механических примесей. Резервуары-усреднители для кислых и щелочных сточных вод выполняются из материалов с антикоррозионной защитой. Их объем определяется в зависимости от графика притока сточных вод и колебаний концентраций кислоты или щелочи. При отсутствии таких графиков объем резервуаров определяется по технологическим данным. Поступающие в резервуары сточные воды перемешиваются воздухом. При наличии одновременно кис- Рис. 3.2. Аппарат для безотходного гашения извести — барабан; 2 — горизонтальный вал; 3 — верхний люк; 4 — перегородка; 5 — шестерни; р^ 7 — электродвигатель; 8 — нижний люк, 3 — сетка !-ре- 106
лых и щелочных сточных вод учитывается их взаимная нейтрализация. Размеры складов реагентов определяют с учетом возможности их доставки. Запас реагентов обычно принимают на !5—30 сут. При доставке реагентов вагонами объем склада должен быть кратен'объему вагона. Известь на складах хранится в виде теста или в сухом виде в закрытых бункерах. Хранение сухой извести навалом не допускается. На складах должна быть предусмотрена механизация всех процессов, связанных с разгрузкой реагентов из вагонов или автомашин, с транспортированием реагентов внутри складов и с загрузкой их в устройства для приготовления растворов. Известковое тесто- из склада к месту приготовления известкового молока может подаваться грейферным краном; сухая известь — закрытыми транспортерами и элеваторами для предупреждения запыленности помещений. Для нейтрализации гашеная известь применяется в основном в виде известкового молока 5 %-ноп концентрации по активному оксиду кальция. Для превращения комовой извести-кипелки в форму, удобную для дозирования, ее следует погасить. При гашении извести происходит ее гидратация с выделением теплоты СаО + Н2О = Са(ОНJ + 67 кДж. Для гашения комовой извести применяются безотходные известегасп- тельные аппараты. Основным преимуществом термомеханической извес- тегасилки С-703 является тонкий размол шарами недожога и пережога, что исключает необходимость удалять вручную из известегасилки куски непогашенной извести. Из известегасилки известковое молоко направляется в гидроциклон или гидравлический классификатор для отделения крупных частиц извести и возврата их на вторичное дробление. Применяются также барабанные аппараты для безотходного гашения извести (рис. 3.2). Этот аппарат представляет собой барабан диаметром 1300 мм, вращающийся на горизонтальном валу. В барабане на расстоянии 550 мм от передней его стенки установлена стальная перегородка толщиной 10 мм, в которой в шахматном порядке просверлены отверстия диаметром 10 мм. Редуктор it шестерни подобраны таким образом, чтобы барабан имел частоту вращения 23—25 мин-1. В барабан через верхний люк загружают 60 стальных или чугунных шаров диаметром 70 мм, а через нижний люк 30 шаров диаметром 50 мм. Для приготовления известкового молока в барабан через верхний люк загружают 800—1000 кг комовой извести и наливают до горловины горячую воду. После этого включают электродвигатель, и барабан вращается в течение 30—40 мин. Затем барабан останавливают и через задвижку патрубка, имеющегося на горловине нижнего люка, выпускают известковое молоко (за 7—8 мин). Продолжительность гашения 1 т извести в известегасилке составляет 1,5—2 ч; производительность аппарата по безотходному гашению извести 12—15 т/сут. На установках большой производительности для гашения извести применяют шаровые мельницы; после них известковое молоко пропускают через гидроциклон или классификатор. Известковое молоко из аппаратов гашения извести сливают в баки с пропеллерными или лопастными мешалками с вертикальной осью вращения; частота вращения мешалки должна быть не менее 40 мин.-1. При приготовлении рабочего раствора известкового молока допустимо перемешивание раствора воздухом с интенсивностью аэрации 0,8 м3/(м2-мин), возможно также гидравлическое перемешивание с помощью насосов в баках вместимостью 1—4 м3. На рис. 3.3 показана механизированная установка для приготовления раствора извести (при сухом способе ее хранения) производительностью 20 т/сут. Поступающая на установку комовая известь разгружается в приемный бункер, откуда с помощью пластинчатого питателя ППН-6 подается на транспортер и далее в дробилку. После дробилки 107
A-A План ¦p . 3.3. Установка для приготовления раствора извести / — пластинчатый питатель; 2 — ленточный транспортер; 3 — дробилка молотковая: 4 — элеватор ковшовый; 5 —бункер дробленой извести; 6 —резервуары для хранения 5 %-ного известкового молока; 7 — шаровая мельница; 8 — классификатор; 9 — насосы фекального типа- 10 — насосы плунжерные частицы извести с крупностью фракций не более 25 мм поступают в шаровую мельницу, работающую в замкнутом цикле с классификатором. Известковое молоко поступает в резервуар концентрированного молока и перекачивается плунжерными насосами в расходные резервуары, где насосами фекального типа поддерживается во взвешенном состоянии. Эти же насосы подают известковое молоко на дозирование. При мокром способе хранения поступившую комовую известь загружают непосредственно в емкости для приготовления и хранения известкового теста, которые предварительно на 50 % наполняют водой. Грейферным краном известковое тесто подается в бункер, сюда же под давлением 0,2— 0,3 МПа подается вода. Приготовленное в бункере концентрированное молоко поступает на грохот для удаления частиц крупностью более 25 мм, а затем подается в шаровую мельницу. Дальнейшие операции аналогичны операциям, проводимым для сухого способа хранения извести. Рис. 3.4. Дозатор растворов и суспензий реагентов / — входная камера; 2, 3 — соответственно дозн- рующий и .переливной бункер; 4 — поворотный, делитель струи; 5,1 — соответственно сливной н переливной, лотки; 6 — успокоительная перегородка 108
Рабочий раствор подается в нейтрализуемую сточную воду с помощью насосов или дозаторов. Реагенты можно дозировать в виде порошка (тонкомолотая известь, известь-пушонка), суспензии (известковое молоко), растворов (известь, а также кислоты, щелочи, сода и др.) и газа (хлор, аммиак, озон и др.). Дозаторы сухих реагентов направляют их в открытый поток или в смеситель, где сухой реагент быстро растворяется. Дозаторы подают ¦:успензии, растворы и газы в открытый поток или в напорные трубопроводы. По принципу действия дозаторы делятся на следующие типы: дозаторы постоянного расхода реагентов, обеспечивающие подачу в сточную воду постоянного количества реагентов независимо от расхода воды; дозаторы подачи реагентов пропорционально расходу сточных вод, обеспечивающие изменение количества подаваемого реагента в зависимости от расхода этих вод; дозаторы, рассчитанные на поддержание заданных параметров качества сточных вод (например, pH), обеспечивающие регулирование количества подаваемого реагента независимо от расхода этих вод, начальной величины активной реакции и концентрации подаваемого реагента. Для дозирования сухих порошкообразных реагентов используют тарельчатые, шнековые, вибрационные, ленточные объемные и весовые дозаторы, а также питатели, применяемые в других отраслях промышленности (строительных материалов, химической и др.). Растворы и суспензии дозируют плунжерными, шестеренчатыми и днафрагмовыми насосами-дозаторами. Одним из таких дозаторов является дозатор ВНИИ ВОДГЕО с делением падающей плоской струи раствора или суспензии реагента (рис. 3.4). Суспензия или раствор из бака с мешалкой поступает во входную камеру дозатора, избыток которых переливается в лоток 7 и сливается оттуда в переливной бункер. Основной расход через успокоительную перегородку переливается в лоток 5, с которого стекает струей, разделяемой поворотным делителем на две части: одна поступает в дозирующий.бункер и нз него в смеситель, другая — в переливной бункер и возвращается в бак с мешалкой для реагентов. Поворотом делителя струи можно изменять расход- раствора или суспензии реагента, поступающего в смеситель. Производительность такого дозатора 1,5—40 м3/ч по известковой суспензии. Для дозирования растворов соды, гидроксида натрия, кислот и др. широко применяют напорные шайбовые дозаторы, работающие под действием перепада давлений в диафрагме, которая устанавливается на трубопроводе обрабатываемой сточной воды. Схема автоматического дозирования известкового молока, разработанная во ВНИИ ВОДГЕО, приведена на рис. 3.5. Исходным параметром регулирования служит величина pH сточной воды, поступающей в смеситель. Отклонение этой величины от заданного значения фиксируется перемещением стрелки pH-метра, датчик которого установлен в смесителе. Колебания стрелки pH-метра вызывают перемещение движка реостатного потенциометра, с которого сигнал поступает на электронный регулятор. Через реверсивный магнитный пускатель регулятор управляет исполнительным механизмом дозатора. Обратная связь осуществляется реостатным датчиком, движок которого жестко закреплен на валу исполнительного механизма. Вращение вада этого механизма приводит к изменению количества раствора реагента, поступающего в смеситель. Для перемешивания реагента со сточной водой применяют гидравлические и механические смесители. В гидравлических смесителях сме- 109
Рис. 3.5. Схема автоматического дозирования известкового молока I — подача сточных вод; 2 — смеситель; 3 — подача извести; 4—дозатор; 5 — исполнительный механизм; 6 — реостатный датчик; 7 — реверсивный магнитный пускатель; 8 — электронный регулятор; 9 — реостатный датчнк-потенциометр с вторичным датчиком; 10 — pH-метр; // —датчик шение реагентов с водой достигается за счет энергии потока воды, расходуемой на повышение его турбулентности (шайбовые, перегородчатые, дырчатые, вихревые). В механических смесителях турбулентность потока усиливается мешалками различных типов. Из смесителей обрабатываемые сточные воды поступают в камеру реакции. При расходах нейтрализуемой сточной воды до 50 м3/ч допускается применение камер реакции периодического действия (не менее двух), а при больших расходах применяют камеры реакции непрерывного действия. Продолжительность пребывания кислых или щелочных сточных вод и реагента в камерах реакции принимается равной 5 мин, а при нейтрализации кислых сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов, продолжительность контакта увеличивается до 30 мин. С целью обеспечения полноты и ускорения хода реакции нейтрализации и осаждения тяжелых металлов в камерах реакции производится непрерывное перемешивание сточных вод пропеллерным или лопастными мешалками с вертикальной осью вращения. Частота вращения мешалки принимается не менее 40 мин~'; при частоте вращения 150 мин продолжительность контакта сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов, может быть сокращена до 15 мин. Для отстаивания получающихся в результате нейтрализации осадков применяют горизонтальные, радиальные или вертикальные отстойники, рассчитанные на пребывание в них сточной.воды не менее 2 ч при доведении pH до 7,5—8,5. В отдельных случаях вместо отстойников возможно применение флотаторов, из которых выделенный осадок удаляется сверху. После отстойников (флотаторов) осадок направляется для обезвоживания на шламовые площадки с дренажем. Площадки устраивают на открытом воздухе, а при необходимости в закрытых утепленных помещениях, оборудованных механизмами для удаления осадков. Нагрузка на площадки, расположенные в закрытых помещениях, принимается 10—15 м3/(м2-год). При расположении шламовых площадок на открытом воздухе требуемую площадь следует рассчитывать исходя из условий намораживания. Если станция нейтрализации не имеет отстойников, то нейтрализованная сточная вода направляется непосредственно из камер реакции в накопители. Эти сооружения предназначены для осветления нейтрализованной воды и складирования выделившегося осадка. Накопители следует устраивать из расчета хранения в них осадка в течение 10— 15 лет. При отсутствии необходимых площадей допускается устройство одногодичных накопителей, осадок из которых вывозится в отвал. При нейтрализации кислых сточных вод, содержащих ионы металлов, известковым молоком количество образующегося осадка зависит от концентрации кислоты и ионов металла, а также от содержания в при- ¦ меняемой извести активного оксида кальция. При ежедневном в течение года сбросе 1 м3 нейтрализованных сточных вод за год накапливается 30—120 м3 осадка. Если осадок, выделенный из нейтрализованной сточной воды в отстойниках, в дальнейшем подлежит механическому обезвоживанию на 110
вакуум-фильтрах, фильтр-прессах или на центрифугах, то его из отстойников перекачивают в осадкоуплотнителн, рассчитываемые на продолжительность пребывания в них осадков не менее 6 ч. Обезвоживание осадка на вакуум-фильтрах предусматривается при количестве сухого вещества в нем не менее 25 кг/м3. При расчете нагрузку на вакуум-фильтр следует принимать 15— 25 кг/(м2-ч) по сухому веществу, частоту вращения барабана 0,4 мин, поддерживаемый вакуум 53—80 кПа; в качестве фильтрующей ткани применяют капрон и бельтинг. Для сокращения объемов образующегося осадка в ряде случаев целесообразно многократное его использование в процессе нейтрализации. При применении такой схемы нейтрализации после сооружений по обезвоживанию 30—35 % обезвоженного шлама идет в отвал, а 65—70 % направляется для повторного применения в качестве нейтрализующего реагента. Место складирования обезвоженных осадков выбирается по согласованию с местными санитарными органами. Нейтрализация кислых сточных вод путем фильтрования через нейтрализующие материалы. Нейтрализация соляно- и азотнокислых, а также сернокислых сточных вод при концентрации серной кислоты не более 1,5 г/л происходит на непрерывно действующих фильтрах. В качестве загрузки применяют такие нейтрализующие материалы, как доломит, известняк, магнезит, мел, мрамор и др. Крупность фракций материала загрузки 3—8 см; расчетная скорость фильтрования зависит от вида загрузочного материала, но не более 5 м/ч; продолжительность контакта не менее 10 мин. Применение таких фильтров возможно при условии отсутствия в кислых сточных водах растворенных солей металлов, поскольку при рН>7 они будут выпадать в осадок в виде труднорастворимых соединений, которые полностью забивают поры фильтра. Ограничивается применение нейтрализующих фильтров при подаче на них сернокислых сточных вод с концентрацией серной кислоты более 1,5 г/л. В этом случае количество образующегося сульфата кальций превышает его растворимость (~2 г/л) и он начинает выпадать в осадок, который, покрывая поверхность нейтрализующей загрузки, затрудняет доступ к ней кислоты, в результате чего нейтрализация прекращается. Если загрузка выполняется из карбоната магния, это ограничение снимается, поскольку растворимость сульфата магния достаточно высока C55 г/л по MgSO4 • 7Н2О). Конструктивно фильтры выполняются с вертикальным движением нейтрализуемых кислых сточных вод. При нейтрализации сточной воды на вертикальном фильтре высоту слоя загрузочного материала Н, см, определяют по эмпирической формуле С. А. Вознесенского H = KdnC+\gb)Vv, C.6) где К и п — эмпирические константы; d — диаметр зерен загрузочного материала, мм; Ъ — концентрация кислоты, г-экв/л; и — скорость фильтрования, равная 4—8 м/ч. Величина п относительно постоянна и в среднем равна 1,47. Величина К зависит от сорта доломита: так, для щелковского доломита К=0,62, а для уральского К=1,31. Приведенное уравнение справедливо при нейтрализации серной кислоты; для других кислот требуется экспериментальное определение эмпирических констант. Если концентрация кислоты А, присутствующей в сточных водах, выражена в г/л, то для пересчета ее в г-экв/л можно воспользоваться переводным коэффициентом а; тогда Ь = аА. Коэффициент а для серной кислоты равен 0,0204, соляной — 0,0277, азотной — 0,0159, уксусной — 0,0167. Если концентрация выражена в процентах, то Ь=ЮаА. ill
план Рис. 3.6. Вертикальный доломитовый фильтр-нейтрализатор 1 — подача кислых сточных вод; 3—приемные камеры; 3 — доломитовые фильтры; 4 —гравий; 5 — дренаж; 6 —выпуск нейтрализованных сточных вод После определения величины Н подсчитывают площадь фильтрования /, м2, по формуле / = <?/*, C.7) где q — расход нейтрализуемых сточных вод, м3/с; v — скорость фильтрования, м/с. Далее определяют суточный расход реагента М, т/сут (загрузочного материала): C.8) где а — расход щелочного реагента на нейтрализацию (см. табл. 3.2); А — концентрация кислоты, кг/м3; Q — расход нейтрализуемых сточных вод, м3/сут. Так как полное A00 %-ное) использование активной части загрузочного материала фильтра практически невозможно, вводится коэффициент для определения фактического расхода материала Л1Ф (например, для доломита Мф=1,5 М). Продолжительность работы фильтра t без перегрузки определяют по формуле t^P/Мф. C.9) Масса загруженного в фильтр нейтрализующего материала Р, т, P = Hft, (З.Ю) где у — плотность загрузочного нейтрализующего материала, т/м3: для доломита, известняка и мрамора составляет 2,8; магнезита — 3; мела — 2,7 т/м3. В зависимости от высоты слоя загрузочного материала, площади фильтрования и местных условий назначается число фильтров и определяются их конструктивные размеры в плане. На рис. 3.6 приведен пример вертикального фильтра-нейтрализатора с доломитовой загрузкой. Длина горизонтального фильтра-нейтрализатора /, м, / = &//, (З.П) где v—скорость фильтрования, равная 0,01—0,03 м/с; t— продолжительность контакта сточной воды с загрузочным материалом, с, равная: C.12) здесь k — коэффициент, характеризующий активность доломита: для подмосковного ?=1,87, для уральского ? = 3,96; d— средний диаметр зерен загрузочного материала, см; Ь — концентрация кислоты, г-эка/л. 112
Необходимый уклон і горизонтального фильтра находят по выражению где v — скорость фильтрования, см/с; S — коэффициент, зависящий от d и равный 20—A4/rf); ро — пористость загрузки, равная 0,35—0,45. Суммарные потери напора /г, м, в фильтре h = il. C-Й) Площадь поперечного сечения /, м2, фильтра f = qfr, C.15) где q — приток сточных вод, и3/с; v — скорость фильтрования, м/с. Соотношение между шириной В и высотой фильтра Н принимают в зависимости от местных условий. Определение суточного расхода реагента, продолжительности работы горизонтального фильтра и массы загружаемого фильтрующего материала производится по формулам C.8) — C.10). При проектировании установок по нейтрализации кислых стоков все резервуары, трубопроводы, насосы, лотки и другую аппаратуру, сопри- касающую с этой сточной водой, следует принимать из кислотоупорного материала или предусматривать надежную изоляцию. . § 18. ОКИСЛЕНИЕ Окислительный метод очистки применяют для обезвреживания производственных сточных вод, содержащих токсичные примеси (цианиды, комплексные цианиды меди и цинка) или соединения, которые нецелесообразно извлекать из сточных вод, а также очищать другими методами (сероводород, сульфиды). Такие виды сточных вод встречаются в машиностроительной (цехи гальванических покрытий), горно-добыва- ющей (обогатительные фабрики свинцово-цинковых и медных руд), нефтехимической (нефтеперерабатывающие и нефтехимические заводы), целлюлозно-бумажной (цехи варки целлюлозы) и в других отраслях промышленности. В узком смысле окисление — реакция соединения какого-либо вещества с кислородом, а в более широком — всякая химическая реакция, сущность которой состоит в отнятии электронов от атомов или ионов. В практике обезвреживания производственных сточных' вод в качестве окислителей используют хлор, гипохлорит кальция и иатрия, хлорную известь, диоксид хлора, озон, технический кислород и кислород воздуха. Среди других окислителей, которые применяются при очистке производственных сточных вод, можно назвать пероксид водорода, оксиды марганца, перманганат и бихромат калия. Эти окислители, хотя и не находят широкого применения, но в ряде случаев могут быть использованы для окисления фенолов, крезолов, цпанидсодержащих примесей и др. Окисление активным хлором. Обезвреживание сточных вод хлором или его соединениями — один из самых распространенных способов их очистки от ядовитых цианидов, а также от таких органических и неорганических соединений, как сероводород, гидросульфид, сульфид, ме- тилмеркаптан и др. Сточные воды, содержащие ядовитые цианиды, образуются на машиностроительных и металлообрабатывающих заводах в гальванических цехах. Значительное количество цианидсодержащнх сточных вод получается при промывке изделий после закалки их в расплавах цианидов. Обычно содержание цианидов в таких сточных водах колеблется от 20 до 100 мг/л, но бывает и выше. 8-179 ИЗ
100 во 40 UO Окисление ядовитых цианид- ионов CN~ осуществляется путем перевода их в нетоксичные циа- наты CNO~, которые затем гид- ролизуются с образованием ионов аммония и карбонатов: 80 З- 100 CN - + 20H- — 2e-+CHQ- -f HO; CNO ~ + 2H2O->NH+ + CO]". Возможен также перевод токсичных соединений в нетоксичный комплекс или в осадок (в виде нерастворимых цианидов) с последующим удалением его из сточных вод отстаиванием или фильтрованием. При введении в воду хлор гидролизуется, образуя хлорноватистую и соляную кислоты: 2 6 10 pH Рис. 3.7. Концентрация НОСІ и ОСІ- в воде при изменении величины pH В сильнокислой среде равновесие этой реакции сдвинуто влево, и в воде присутствует молекулярный хлор; при значениях рН>4 молекулярный хлор в воде практически отсутствует. Образовавшаяся в результате гидролиза хлора хлорноватистая кислота диссоциирует на ион пшохлорита ОСІ" и ион водорода Н+. Соотношение между недиссо- циированной хлорноватистой кислотой НОСІ и ионом гипохлорита ОСЬ в воде при различных величинах pH показано на рис. 3.7. Гипохлориты кальция или натрия, а также хлорная известь образуют в воде хлорноватистую кислоту и ион гипохлорита в соотношениях, определяемых pH водной среды. Окисление цианидов хлором можно проводить только в щелочной среде (рН^9-И0) CNT + 2ОН~ -t- С1.2-»- CNO" •2СГ 2Н2О. Образующиеся цианаты можно окислить до элементарного азота и диоксида углерода 2CNO- + 4ОН- + ЗС12 -»- 2СО2Т + 6С1— + N2T + 2Н2О. При снижении pH возможно протекание реакции прямого хлорирования цианида с образованием токсичного хлорциана CN- + Cl2-*- CNC1 + С1-. Более надежным и экономически целесообразным методом является окисление цианидов гипохлорптами в щелочной среде (pH = 10ч-11). В качестве реагента, содержащего нон пшохлорита ОСЬ, служат хлорная известь, гипохлориты кальция или натрия. Между гипохлоритом и простыми цианидами протекает следующая реакция: CN- -Ь ОСЬ -*¦ CNO- + С1-. Реакция протекает быстро A—3 мин) и полно. Образующиеся цианаты постоянно гидролизуются. В растворах, содержащих цианид-ионы и медь, одновременно могут присутствовать комплексные цианиды меди [Cu(CNK]2~ и [Cu(CNL]3~, окисление которых гипохлоритом проходит по уравнениям: 2 [Cu(CNK]2- + 7OCI- + 2ОН- + H2O-*6CNO- + 7С1- + 2Cu(OHJl'; 3 [Cu(CNL]3- + 13ОС1- + 4ОН- + H2O-*12CNO- + 13С1- + 3Cu(OHJl. При окислении ядовитого комплекса цианида цинка происходит следующая реакция:
lZn(CNL]2- + 40CI- + 20H—*4CNO- + 4CI- + Zn@HJl. Для определения расхода гипохлоритов кальция или натрия, а также хлорной извести на окисление цианидсодержащих сточных вод можно воспользоваться формулой X = kxQ/(a-\O), C.I6) где X — требуемое количество реагента, кг/сут; к — коэффициент запаса реагента, принимаемый равным 1,2—1,3; Q — количество циаиидсодержащих сточных вод, м3/сут; а — содержание активного хлора в реагенте, равное в товарной хлорной из- вестн 30—35 %, в гипохлормте кальция 30—45 %; х—теоретическое количество активного хлора, необходимого для окислення цианидов, г/м3: х = пС; C.17) п — стехиометрический коэффициент (по активному хлору); С — концентрация цианидов в сточных водах (в пересчете на цнанид-ион), г/м3. Для определения коэффициента я подсчитывается количество активного хлора в гипохлорите. Активный хлор определяется по количеству грамм-атомов йода, выделенных данным реагентом из йодистого калия в кислой среде. Запишем реакцию окисления простых цианидов гипо- хлоритом в ионно-электронном виде: С1++ 2е-*СГ; CN~ — 2«-* CN + . Это значит, что при взаимодействии гипохлорита с КІ наблюдались следующие реакции: С1+ -f 2е-*СГ; 21 - — 2е->21. Выделившиеся два грамм-атома йода соответствуют двум грамм-атомам активного хлора. Таким образом, соотношение масс реагирующих цианид-иона-и активного хлора гипохлорита равно 126: 71. Следовательно, на 1 ч. цианид-иона требуется 2,73 ч. активного хлора, т.е. я=2,73. Величина коэффициента п определяется для каждой реакции окисления цианидсодержащих соединений. Так, при окислении комплексных цианидов меди [Cu(CNK]2~ и [Cu(CNL]3~ величина п равна соответственно 3,18 и 2,96, а для окисления комплексных цианидов цинка п = = 2,73. При окислении цианидсодержащих сточных вод ионом гипохлорита окислитель может расходоваться не только на окисление цианидов, но и на окисление других веществ, присутствующих в сточных водах. Поэтому значение п следует проверять экспериментально для конкретных сточных вод. При наличии в сточной воде аммиака аммонийных солей или органических веществ, содержащих аминогруппы, хлор, хлорноватистая кислота и гипохлориты вступают с ними в реакцию, образуя моно- и ди- хлорамины, а также треххлористый азот: NH3 + HOCl-vNH2Cl + Н2О; NH2Ci + HOCl-vNHCl2 + Н2О; NHCI2 + HOCl-*-NCI3 + H2O. При обезвреживании сточных вод обычно применяется 5%-ный рабочий раствор реагента (по активному хлору). Обработка цианидсодержащих сточных вод диоксидом хлора С1О2 имеет ряд преимуществ. Диоксид хлора обладает большой окислительной способностью по сравнению с другими окислителями (кроме фтора и озона). Водные растворы С1О2 устойчивы в течение длительного времени. При обработке сточных вод диоксидом хлора не образуется высокотоксичных продуктов прямого хлорирования (хлорциана, хлорфено- ла и др.) в любом диапазоне величин pH. Окисление цианидов диоксидом хлора протекает по уравнению CN- + 2СЮ2 + 2ОН~ -> + 2CN0- СЮ^ + Н2О. Более эффективно процесс окисления идет при рН^Ю; при начальном содержании цианидов 25 мг/л и продолжительности окисления 8* 115
Рис. 3.8. Технологическая схема автоматизированной установки для обезвреживания сточных вод / — баки для реагентов; 2 — вентили ручного дозирования реагентов; 3— щит управления и автоматики; 4 — резервуар для цианидсодержгщнх сточных вод; 5 — регулирующие вентили; 6 — лопастные мешалки; 7 — датчик pH-метра; 8, 10 — соответственно датчик концентрации цианидов и хрома; 9 — резервуар для хромсодержащизе сточных вод; //—резервуар-нейтрализатор; 12 — по- илаьковыЯ регулятор; 13— резервуар для обезвреженных сточных вод; 14— насос для их перекачки Гмин эффективность составляет 95%', а через 10 мин реакция окисления практически заканчивается. Процесс окисления цианидов, связанных в комплексе с медью, протекает по уравнениям: 5 [Cu(CNK]?- + 7СЮ2+ 12OH--H5CNO- + 7С1— + 5Cu(OHJ + Н2О; 5 [Си (CNL13- + ^CIO2 + 14OH--»-2OCNO- + 9С1- + 5Си(ОНJ + 2Н2О. В качестве примера на рис. 3.8 приведена технологическая схема автоматически работающей установки для обезвреживания сточных вод цеха гальванических покрытий машиностроительного завода. Сточные воды цеха разделены на три группы, содержащие: 1) цианиды; 2) шестнвалентный хром; 3) кислоты и щелочи. Каждый сток поступает в отдельный резервуар, рассчитанный на 30—40 мин пребывания в нем. Часть полезного объема резервуаров A0—15 %) является камерой смешения, куда автоматически подаются реагенты, в том числе щелочи и кислоты для поддержания постоянной величины pH; для цианидсодержащих стоков рН = 10,5, для хромовых рН=2,5. Стоки, содержащие цианиды, обезвреживаются гипохлоритом натрия. Технологическая последовательность обезвреживания шестивалентною хрома заключается в восстановлении его до трехвалентного с последующим осаждением в воде гидроксида. В качестве реагента для восстановления Сг6+ до Сг3+ используется гидросульфит натрия. Реакция идет сначала в кислой среде ? 7 + 5Н+ -*Сг3+ + 3SO^~ + 4H?O, затем в щелочной среде Сг3+ выпадает в осадок в виде Сг9+ + ЗОН"->Сг(ОН)з|. Обезвреженные и нейтрализованные сточные воды направляются в отстойник, где происходит осаждение гидроксида хрома. Остаточные концентрации цианидов и хрома в очищенной воде не превышают допустимых санитарными нормами. Хлорирование применяется также для дезо'дорации сточных вод, образующихся при варке сульфатной целлюлозы и при выпаривании черного щелока на целлюлозно-бумажных комбинатах. Эти сточные воды содержат сероводород, сульфиды, метилмеркаптан и др. не
В щелочной среде хлор окисляет сульфиды до сульфатов Na2S + 4С12 + 8NaOH->-Na2S04 + 8^Сі + 4Н2О; в кислой и нейтральной среде возможно образование сульфитов H2S + ЗС12 + 3H2O^-H2SO3 + 6HCI; NaHS + 3CI2 + 3H2O-*NaHSO3 + 6НС1. При избытке хлора окисление всегда идет до сульфатов. Метилмер- каптан окисляется хлором несколько медленнее, чем сероводород, но значительно быстрее, чем сульфиды и дисульфиды. В зависимости от расхода хлора окисление метилмеркаптана может протекать с образованием различных продуктов: 2CH3SH + C12-*CH3SSCH3 + 2НС1; CH3SH + 2С12 + H2O->CH3SOC1 + 3HC1; CH3SH + 3C12 + 2H2O-*CH3SO2C1 + 5HC1. Поскольку метилмеркаптан окисляется хлором сравнительно быстро, продолжительность контакта сточных вод выпарной станции (загрязненных в основном сероводородом и метилмеркаптаном) с хлором составляет 5 мин. В зависимости от агрегатного состояния вводимых в воду хлора или хлорсодержащих реагентов определяется технология обработки сточных вод. Если эту воду обрабатывают газообразным хлором или диоксидом хлора, то процесс окисления осуществляется в абсорберах; если хлор или диоксид хлора находится в растворе, то их подают в смеситель и далее в контактный резервуар, а которых обеспечиваются эффективное их смешивание и требуемая продолжительность контакта со сточной водой. Хлораторные установки включают складское хозяйство и устройства для дозирования хлора. Для дозирования газообразного хлора наиболее широко применяются вакуумные хлораторы ЛОНИИ-100 с ротаметрами РС-3 и РС-5, имеющие производительность по хлору 0,08— 20 кг/ч. Окисление кислородом воздуха. Значительно шире, чем хлорсодер- жащие реагенты, для окисления сульфидных рточных вод целлюлозных, нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов применяется кислород. Реакция окисления идет в жидкой .фазе при повышенных температуре и давлении. Окисление гидросульфидной и сульфидной серы протекает через ряд последовательных стадий В процессе окисления сера изменяет свою валентность с —2 до +6. В водных растворах под действием кислорода воздуха через ряд последовательных стадий проходит процесс окисления метилмеркаптана CH3SH-9-CH3SSCH3-9-CH3SO2H-vCH3SO3H. Если активная реакция водной среды рН = 7ч-13,75, то основным продуктом окисления сероводорода, гидросульфида и сульфита является тиосульфат. При окислении сточных вод варочных цехов (рН=9-ь9,5) протекают следующие реакции: 2HS- + 2O.2-+spl~ + Н2О; 2HS- + 302 + 2ОН- -* 2SO^~ + 2Н2О; 2HS- + 4О2 + 2ОН~ -* 2SO;;- + 2H2O.J В процессе окисления величина pH сточной воды понижается. 117
Окисление сточных вод выпарной станции (рН = 7-^7,5) протекает по уравнениям: 2H2S + 2O2-*S2C>3~ + Н2О + 2Н+; 8H2S + 9O2->2S4Og~ + 6Н2О + 4Н+; 2HS- + 4O2-^ 2SOf- + 2H+. В процессе окисления величина pH раствора понижается, возможно образование элементарной серы. При окислении черных щелоков (рН= 12,15-ї-12,75) происходят реакции: S2- 2HS- + ЗО 2S2- + 2О2 + Н2О-^ S2Ol~ + 2ОН-; 2 HS" + 2О2 + OH~-*SO^~ + H2O; 2 При окислении гидросульфида и сульфида до тиосульфата величина pH раствора повышается, при окислении гидросульфида до сульфита и сульфата величина pH раствора понижается, а при окислении сульфида до сульфита и сульфата активная реакция среды не изменяется. С повышением температуры и давления скорость реакции и глубина окисления сульфидов и гидросульфидов увеличиваются. Теоретически на 1 г сульфидной серы расходуется 1 г кислорода. Для полного окисления черного щелока (с концентрацией сульфида 6 г/л) с температурой 80—100 °С под давлением 0,1—0,8 МПа требуется 5,4 кг кислорода или 28 м3 воздуха на 1 м3 щелока; продолжительность контакта при этом составляет 1 мин. На рис. 3.9 приведена принципиальная схема установки по окислению сульфидов, содержащихся в сточных водах, кислородом воздуха. Эта сточная вода поступает в приемный резервуар и через теплообменник подается в окислительную колонну, а воздух — в нижнюю часть колонны. Влага из отработанного воздуха конденсируется в сепараторе, откуда направляется в приемный резервуар. Сточные воды после окисления охлаждаются в холодильнике и поступают на дальнейшую очистку. Необработанная сточная вода подогревается водяным паром и теплотой конденсата. Осуществить процесс разрушения сульфидных соединений можно также диоксидом углерода, содержащимся в отходящих дымовых газах. Сущность этого способа заключается в следующем. Сточная вода, содержащая сернистые щелочи, из нефтеловушки поступает в приемный резервуар, далее подогревается в теплообменнике и направляется на дезодорацию в колонну, в которую подают водяной пар и дымовые газы. Образование карбонатов происходит по следующим уравнениям: Na2S + СО2 + H2O-^Na2CO3 + H2S; 2NaHS + СО2 + Н2О-»-№2СОз + 2H2S. Выделяющийся сероводород, выносимый дымовыми газами и паром, направляется .на сжигание, а при использовании диоксида углерода он служит сырьем для получения серной кислоты. Озонирование. Озон является сильным окислителем и обладает способностью разрушать в водных растворах при нормальной температуре sis
многие органические вещества и примеси. Подавлении 0,1 МПа и температуре 0 °С растворимость озона в воде составляет 0,4 г/л. Растворимость озона в воде зависит также от активной реакции среды, наличия кислот, щелочей и солей. Так, при наличии кислот и солей растворимость озона в воде увеличивается, а при наличии щелочей уменьшается. Озон самопроизвольно диссоциирует на воздухе и в водных растворах, распадаясь на молекулу и атом кислорода. Скорость распада в водном растворе возрастает с увеличением солесо- держания, значений pH и температуры воды. По сравнению с другими окислителями, например хлором, озон имеет ряд преимуществ. Его можно получать непосредственно на очистных установках, причем сырьем служит технический кислород или атмосферный воздух. Перспективность применения озонирования как окислительного метода обусловлена также тем, что оно не приводит к увеличению солевого состава очищаемых сточных вод, не загрязняет Рис. 3.9. Принципиальная схема установки по окислению сульфидов, содержащихся в сточных водах, кислородом воздуха / — подача сточной поды; 2 — приемный резервуар; 3. 4. 6 — выпуск соответственно конденсата, отработанного воздуха и увлажненного отраоо- танного воздуха; 5 — сепаратор; 7 — окислительная колонна; 8 — холодильник; 9 — выпуск обработанных сточных вод; 10 — воздухораспределительное устройство; 11 — подача воздуха; 12 — теплообменник; 13 — насос Рис. 3.10. Технологическая схема озонирования производственных сточных вод / — воздухозаборная шахта; 2 — подача атмосферного воздуха; 3 — фильтр; 4 — воздуходувка; а —теплообменник; ?—водоотделитель; 7 — установка для осушки воздуха; 8— подача возд>ха на регенерацию адсорберов; 9 — блок фильтров; 10 — хозяйственно-питьевой водопровод; // — ге- нератод озона; 12 — канализация; 13— подача озоно-воздушной смеси; 14 — контактная камера озонирования сточных вод; /а—подача необработанных сточных вод; 16 — пористые распределительные трубки; /7 — выпуск озонированных сточных вод; 18 — подача охлажденного рассола; 19 — бак охлажденного рассола; 20 — трехходовой смесительный клапан; 21, 22 — насос соответственно охлажденного и нагретого рассола; 23 — бак нагретого рассола; 24 — подача нагретого рассолаі 25 — холодильная иашнаа 119
воду продуктами реакции, а сам процесс легко поддается полной автоматизации. В процессе обработки сточных вод озон, подаваемый в камеру реакции в виде озоно-кислородной или озоно-воздушной смеси, вступает в химические реакции с загрязняющими сточные воды веществами. Таким образом, озонирование представляет собой абсорбционный процесс, осложненный химическими реакциями. Наиболее экономичным способом является получение озона непосредственно на очистных сооружениях путем тихого (короткого) электри-. ческого разряда в воздухе. Тихий разряд образуется в узком газовом пространстве между двумя электродами, к которым подведен ток напряжением 5—25 тыс. В. В озонаторах используются электроды из стекла, внутренняя поверхность которых покрыта металлической амальгамой. Ее слой является электродом высокого напряжения. В существующих промышленных генераторах-озонаторах применяют стеклянные трубчатые или пластинчатые элементы. Обычно озонаторы выполняют в виде цилиндрических сосудов, в которых располагается несколько десятков параллельно работающих трубчатых озонирующих элементов, состоящих из двух концентрически расположенных стеклянных трубчатых электродов. Воздух движется вдоль оси озонирующих элементов в кольцевом пространстве между концентрически расположенными электродами. Молекулы кислорода под действием электрических разрядов дробятся, и образовавшиеся атомы легко присоединяются к целым молекулам вследствие их молекулярного сродства, образуя молекулу озона: . . . О + О2 ^ О3. Большое значение имеет также то, что атом кислорода, выделяющийся в этой реакции, может взаимодействовать с молекулой озона с выделением теплоты О + О3 ^ 2О2 + 400 кДж. Производительность озонатора и расход электроэнергии на получение озона в значительной степени зависят от влагосодержания поступающего в озонатор воздуха, его температуры, концентрации кислорода, а также от конструкции озонатора и способа подачи озоно-воздушной смеси в реактор. Принципиальная технологическая схема озонирования производственных сточных вод (рис. 3.10) состоит из двух основных узлов: получения озона и очистки сточных вод. Узел получения озона включает четыре основных блока: получения и охлаждения воздуха; осушки, фильтрования воздуха; генерации озона. Атмосферный воздух через возду- хозаборную шахту подается на фильтр, где очищается от пыли, после чего воздуходувками подается на водоотделитель капельной влаги, а затем на автоматические установки для осушки воздуха, загруженные активным глиноземом. Осушенный воздух поступает в автоматические блоки фильтров, в которых осуществляется тонкая очистка воздуха от пыли. Из фильтров осушенный и очищенный воздух подается в блоки озонаторов, где под действием электрического разряда генерируется озон, который вместе с воздухом в виде озоно-воздушной смеси направляется в контЬктную камеру и смешивается с обрабатываемой сточной водой. Озоно-воздушная смесь распыляется трубками из пористой керамики. Циркуляция обрабатываемой сточной воды и озоно-воздушной смеси в контактной камере реакции во встречном направлении обеспечивает большую эффективность озонирования. Камеры реакции могут быть одно- и двухступенчатые. В связи с токсичностью озона, поражающего органы дыхания и центральную нервную систему, особое внимание при проектировании озо- наторных установок уделяется вопросу вентиляции помещений и герметизации реакторов (предельно допустимое содержание озона в воздухе 120
помещений, где находятся люди, составляет 0,0001 мг/л). Осушка воздуха является одним из основных этапов подготовки воздуха перед получением озона, так как даже небольшое содержание влаги понижает выход озона и ведет к перерасходу электроэнергии. Для обеспечения требуемой степени осушки воздуха (до точки росы 50 °С) в периоды года, характеризующиеся большим содержанием влаги в атмосферном воздухе, предусматривается предварительное охлаждение воздуха до температуры 8°С. В холодильной установке воздух обрабатывают охлажденным рассолом, подаваемым от фреоновой холодильной машины, в состав которой входят баки охлажденного и нагретого рассола, на- сосно-силовое оборудование и регулятор температуры воздуха после теплообменников. Озон и его водные растворы чрезвычайно коррозионны: они разрушают сталь, чугун, медь, резину, эбонит. Поэтому все элементы озона- торных установок и трубопроводы, контактирующие с озоном или с его водными растворами, должны изготовляться из нержавеющей стали и алюминия. Расход электроэнергии на получение 1 кг озона из хорошо осушенного воздуха для озонаторов различных типов составляет 13—29 кВтХ Хч, а из неосушенного воздуха — 43—57 кВт-ч. Расход электроэнергии на осушение воздуха и его компрессию для получения 1 кг озона 6— 10 кВт-ч. В обрабатываемую сточную воду озон вводят различными способами: барботированием содержащего озон воздуха через слой воды (распределение воздуха происходит через фильтросы); противоточной абсорбцией озона водой в абсорберах с различными насадками (кольца Рашига, хордовая насадка и др.); смешиванием воды с озоно-воздушной смесью в эжекторах или специальных роторных механических смесителях. При расчете контактных реакционных камер прежде всего определяют площадь распыливающих элементов, которые размещают у дна камеры для равномерного распределения озоно-воздушной смеси в воде. В качестве распределительных устройств используют металлокерамиче- ские или керамические трубы с порами размером соответственно 40— 100 или 60—100 мкм, оптимальный режим диспергирования которых наблюдается при интенсивности распыления соответственно 76—91 и 20— 26 mj/(m2-4). Необходимую общую площадь всех распыливающих элементов контактной камеры барботажного типа /общ, м2, определяют по формуле /общ = Qdo3/(Cw), C.18) где Q — расход сточных вод, м3/ч; d03 — требуемая доза озона, г/и3; С — концентрация озона в озоно-воздушной смеси, г/м3; w — интенсивность распыления на единицу площади пористых распылителей, м3/(м2-ч). Число распыливающих элементов 1 = /общ//э* C.19) где f3 — площадь одного распылнвающего элемента, м2. Металлокерамические распылительные трубы следует располагать по дну контактных камер на расстоянии 0,4 м, а керамические трубы на расстоянии 0,5 м между осями. При таком расположении труб бар- ботажные факелы объединяются на высоте 2 м. . Общий объем камеры W, м2, вычисляют по формуле W = knpQt, C.20) где knp — коэффициент увеличения объема воды за счет ее продувки озоно-воздушной смесью, обычно равный 1,1; t— іродолжнтельность пребывания сточной воды в реакционных камерах, ч. Величины аоя и t определяются экипериментально для каждого вида производственных сточных вод. Высота слоя воды над распылителями 121
# = 4,5ч-5 м. В двухступенчатых реакционных камерах высота слоя воды в каждой ступени составляет 2,5—2,8 м. Реакционные контактные камеры могут быть прямоугольными и круглыми в плане, число их принимается не менее двух. Необходимое количество озона D03, кг/ч, определяют по выражению Doa = doaQ/1000. C.21) Число озонаторов находят исходя из производительности серийно выпускаемых озонаторов m = kD03/q0Bi C.22) где k — коэффициент запаса, принимаемый равным 1,05—1,1; q03 — производительность одного озонатора, кг/ч. В табл. 3.4 приведены основные технические характеристики отечественных озонаторов. Для определения себестоимости очистки сточных вод методом озонирования можно считать, что стоимость получения и введения в воду 1 кг озона составляет 80—90 коп. ТАБЛИЦА 3.4. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОЗОНАТОРОВ ТРУБЧАТОГО ТИПА Тип озонатора ОП-4 011-6 ОП-121 ьная іитель» озону, Sog Номин ПРОНЗЕ НОСТЬ кг/ч 1 2 1,6 рация озоно- ой 5 я я*" Конце озона возду снеси. 16—17 14—16 14—16 а л Средн возду 40 80 120 ;ние на lax, кВ Напр я электр 10 10 16 Тип озонатора ОП-315 ОП-510 ьная дитель- озону, та ° § Номин произі ность кг/ч 3,8 6 рация озоно- 0A 1 Конце озона возду смеси. 12—14 12—14 и р Средн возду 300 450 Напря элект[ 18 18 Приведенные многочисленные исследования по окислению различных органических загрязнений озоном показали эффективность этого способа при обработке водных растворов, содержащих фенолы, циклопентан, циклогексан, тетраэтилсвинец, нафтеновые и сульфанафтеновые кислоты, цианиды, крез.олы, неионогенные и анионоактивные ПАВ, нефть и др. В качестве примера можно привести реакции окисления сероводорода, при этом на первой стадии наблюдается выделение серы, а на второй окисление непосредственно до H2SO4: H2S + Оз-^S + О2 + Н2О; 3H2 Ре-акции протекают одновременно, но при избытке озона преобладает вторая. При окислении цианидов протекают следующие реакции: CN- + Оз-^CNO- + О2; CNO- + 2Н+ + Н2О-*СО2 + NH4. Расход озона на разрушение загрязняюц-.их сточные воды веществ зависит от многих факторов: pH водной срэды, концентрации вредных веществ и озона, способов смешения и продолжительности контакта озоно-воздушной смеси с обрабатываемыми гточными водами и др. При применении катализаторов увеличиваются скорости реакций окисления озоном. Процесс озонирования можно интенсифицировать совместным воздействием озона и ультразвука или озоь'а и ультрафиолетового излучения. Электрохимическое окисление. Электрохимические методы очистки основаны на электролизе производственных сточных вод. Химические 122
превращения при электролизе могут быть весьма различными в зависимости от вида электролита, а также материала электродов и присутствия различных веществ в растворе. Основу электролиза составляют два процесса: анодное окисление и катодное восстановление. На аноде, выполненном из материалов, не подвергающихся электролитическому растворению (платина, графит), в зависимости от солевого состава обрабатываемых сточных вод и условий электролиза выделяются кислород и галогены, а также окисляются некоторые присутствующие в сточных водах органические вещества. На катоде происходит выделение газообразного водорода и восстановление некоторых присутствующих в сточных водах органических веществ. Электрохимическую обработку целесообразно применять при очистке концентрированных органических и неорганических загрязнений и небольших расходах производственных сточных вод. Применение электрохимических методов очистки не требует предварительного разбавления сточных вод, не вызывает увеличения их солевого состава, позволяет утилизировать ценные примеси из сточных вод, упрощает технологическую схему очистки и эксплуатацию сооружений, облегчает их автоматизацию и сокращает площади, занимаемые под очистные сооружения, по сравнению с методами реагентной обработки. Основными недостатками электрохимического метода очистки сточных вод являются значительные энергетические затраты и расход металла, необходимость очистки поверхности электродов и межэлектродного пространства от механических примесей. Опыт применения локальных установок по электрохимическому окислению имеется на предприятиях машиностроительной, приборостроительной, химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности, сточные воды которых содержат фенолы, цианиды, нитросоединения, сульфиды, амины, кетоны, альдегиды, спирты, азокрасители, толуол и др. В качестве анода используются электролитически нерастворимые материалы (уголь, графит, магнетит, диоксиды свинца, магния, рутения), нанесенные на титановую основу. В качестве катода обычно используются свинец, цинк и легированная сталь. Большое значение при электрохимическом окислении имеет плотность тока. Чтобы предотвратить смешение продуктов электролиза, особенно газов (водорода и кислорода), которые могут образовать взрывоопасные смеси, применяют керамические, полиэтиленовые, асбестовые и стеклянные диафрагмы, разделяющие анодное и катодное пространство. В процессе анодного окисления происходит деструкция органических веществ с получением промежуточных или конечных продуктов окисления (органических кислот, СО2, Н2О). Процесс осуществляется в электролитических ваннах, разделенных на несколько отсеков, в которых обрабатываемые воды перемешиваются сжатым воздухом. При электролизе отработанных травильных растворов, содержащих FeSO4 и свободную H2SO4, регенерируется 80—90 % серной кислоты и получается порошкообразное металлическое железо B5—50 кг из 1 м3 раствора). При электролизе щелочных сточных вод, содержащих цианиды, на аноде происходит окисление цианид-ионов с образованием цианат-ионов и дальнейшим их электрохимическим окислением до конечных продуктов: CN- + 2ОН- — 2e-*CNO- + Н2О; 2CNO- + 4ОН- — 6е-*2СО2! + N2t + 2Н2О. В целях повышения электропроводимости сточных вод, снижения расхода электроэнергии и интенсификации процесса окисления в сточные воды добавляют минеральные соли. Наиболее эффективно добав- 123
ление хлорида натрия, которым разлагается с выделением на аноде атомов хлора, участвующих в процессе окисления: 2СІ- — 2е->-С12; С12 + CN- + 2OH-->CNO- + 2С1- + Н2О. Электролиз сточных вод проводят при электродной плотности тока 30—100 А/м2 и объемной плотности 1—3 А/л. В сточную воду вводят 5—10 г/л хлорида натрия. Удельный расход электроэнергии для обеспечения 100 %-ной очистки от цианидов (при начальном содержании 200 г/м3) составляет 0,2 кВт-ч на 1 г цианид-иона. При этом на катоде в виде осадков утилизируется до 80 % общего количества цветных металлов, содержащихся в сточных водах. Радиационное окисление. При действии излучений высоких энергий на водные среды, содержащие различные органические вещества, возникает большое число окислительных частиц, обусловливающих процессы окисления. Радиационно-химические превращения протекают не за счет радиолиза загрязняющих воду веществ, а за счет реакции этих веществ с продуктами радиолиза воды: ОН~, HO.f (в присутствии кислорода), Ы2О2, Н+ и Єгидр (гидратированный электрон), первые три из которых являются окислителями. В качестве источников излучения могут быть использованы: радиоактивные кобальт и цезий, тепловыделяющие элементы, радиационные контуры, ускорители электронов. Имеется опыт (лабораторные данные) радиационной очистки сточных вод, содержащих ПАВ, фенолы, цианиды, красители, инсектициды, лигнин. При действии ^"Излучения кобальта с мощностью дозы F,8ч-8)Х ХЮ6 рад/ч на сточные воды заводов сульфатной и сульфитной целлюлозы (черный поток) снижение ХПК составляло 50—80 %, одновременно наблюдалась нейтрализация стока: величина pH снижалась с 9 до 7. ГЛАВА 4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД Физико-химические методы играют значительную роль при очистке производственных сточных вод. Они применяются как самостоятельно, так и в сочетании с механическими, химическими и биологическими методами. В последние годы область применения физико-химических методов очистки расширяется, а доля их среди других методов очистки возрастает. К физико-химическим методам очистки относятся коагуляция, фло- куляция, сорбция, флотация, экстракция, ионный обмен, гиперфильтрация, диализ, эвапорация, выпаривание, испарение, кристаллизация, магнитная обработка а также методы, связанные с наложением электрического поля — электрокоагуляция, электрофлотация. § 19. КОАГУЛЯЦИЯ Коагуляция—это слипание частиц коллоидной системы при их столкновениях в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты — более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления мелких (первичных). Первичные частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или че,рез прослойку окружающей (дисперсионной) среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и уменьшением их общего числа в объеме дисперсионной среды (в нашем случае —жидкости). Слипание однородных частиц называется гомокоа- гуляцией, а разнородных — гетерокоагуляцней. 124
Рис. 4.1. Строение мицеллы a — ?>0.03; б — ?=0; /1 — адсорбционный ? — диффузионный слой; / — ядро слой; Производственные сточные воды в большинстве случаев представляют собой слабоконцентрированные эмульсии или суспензии, содержащие коллоидные частицы размером 0,001 — 0,1 мкм, мелкодисперсные частицы размером 0,1—10 мкм, а также частицы размером 10 мкм и более. В процессе механической очистки из сточных вод достаточно легко удаляются частицы размером 10 мкм и более, мелкодисперсные и коллоидные частицы практически не удаляются. Таким образом, сточные воды многих производств после сооружений механической очистки представляют собой агрегативно устойчивую систему. Для их очистки применяют методы коагуляции; агре- гативная устойчивость при этом нарушается, образуются более крупные агрегаты частиц, которые удаляются из сточных вод механическими методами. Одним из видов коагуляции является флокуляция, при которой мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под влиянием специально добавляемых веществ (флокулянтов) образуют интенсивно оседающие рыхлые хлопьевидные скопления. Методы коагуляции и флокуляции широко распространены для очистки сточных вод предприятий химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной, легкой, текстильной и других отраслей промышленности. Эффективность коагуляционной очистки зависит от многих факторов: вида коллоидных частиц; их концентрации и степени дисперсности; наличия в сточных водах электролитов и других примесей; величины электрокинетического потенциала. В сточных водах могут содержаться твердые (каолин, глина, волокна, цемент, кристаллы солей и др.) и жидкие (нефть, нефтепродукты, смолы и др.) частицы. Коллоидные частицы, представляющие собой совокупность большого числа молекул вещества, содержащегося в сточной воде в диспергированном состоянии, при перемещении прочно удерживают покрывающий их слой воды. Обладая большой удельной площадью поверхности, коллоидные частицы адсорбируют находящиеся в воде ионы преимущественно одного знака, значительно понижающие свободную поверхностную энергию коллоидных частиц. Ионы, непосредственно прилегающие к ядру, образуют слой поверхностно-ядерных ионов, или так называемый адсорбционный слой. В этом слое может находиться также небольшое число противоположно заряженных ионов, суммарный заряд которых, однако, не компенсирует заряда поверхностно-ядерных ионов. В связи с тем, что на границе адсорбционного слоя создается электрический заряд, вокруг гранулы (ядра с адсорбционным слоем) образуется диффузионный слой, в котором находятся остальные противоположно заряженные ионы, компенсирующие заряд гранул. Гранула вместе с диффузионным слоем называется мицеллой. На рис. 4.1 показано изменение напряженности электрического поля мицеллы. Потенциал на границе ядра— термодинамический потенциал (е-потенциал) —равен сумме зарядов всех поверхностно-ядерных ионов. На границе адсорбционного слоя потенциал уменьшается на величину, равную сумме зарядов, находящихся в адсорбционном слое противоположно заряженных ио- 125
нов. Потенциал на границе адсорбционного слоя называется электрокинетическим потенциалом (^-потенциал). На частицы коллоидов действуют диффузионные силы, и частицы стремятся равномерно распределяться во всем объеме жидкой фазы. Наличие у частиц электрических зарядов одного знака вызывает их взаимное отталкивание. Одновременно между коллоидными частицами имеются молекулярные силы взаимного притяжения, которые проявляются лишь при небольших расстояниях между частицами. При снижении электрического заряда частиц, т. е. при уменьшении ^-потенциала, силы отталкивания уменьшаются и становится возможным слипание частиц — процесс коагуляции коллоида. Силы взаимного притяжения между коллоидными частицами начинают преобладать над электрическими силами отталкивания при ^-потенциале системы менее 0,03 В. При ^-потенциале, равном нулю, коагуляция проходит с максимальной интенсивностью, состояние коллоидной системы в этом случае носит название изо- электрнческого состояния, а величина pH называется изоэлектрической точкой системы. Одним из методов снижения ^-потенциала коллоидной системы является увеличение концентрации в воде электролитов. Способность электролита вызывать коагуляцию коллоидной системы возрастает с увеличением валентности коагулирующего иона, обладающего зарядом, который противоположен заряду коллоидных частиц. Соотношение коагулирующей способности одно-, двух- и трехвалентных ионов приблизительно 1 : 30: 1000. При коагуляции хлопья образуются сначала за счет части взвешенных частиц и коагулянта или только коагулянта. Образовавшиеся хлопья последнего сорбируют вещества, загрязняющие сточные воды и, осаждаясь вместе с ними, очищают воду. Основным процессом коагуляционной очистки производственных сточных вод является гетерокоагуляция — взаимодействие коллоидных и мелкодисперсных частиц сточных вод с агрегатами, образующимися при введении в сточную воду коагулянтов. , При использовании в качестве коагулянтов солей алюминия и железа в результате реакции гидролиза образуются малорастворимые в воде гндрокснды железа и алюминия, которые сорбируют на развитой хлопьевидной поверхности взвешенные, мелкодисперсные и коллоидные вещества и при благоприятных гидродинамических условиях оседают на дно отстойника, образуя осадок: A12(SO4K + 6Н2О-2А1(ОН)з + 3H2SO4; FeCl3 + 3H2O->Fe(OHK + ЗНС1; FeSO4 + 2H2O-*Fe(OHJ + H2SO4; 4Fe(OHJ + O2 + 2H2O->4Fe(OHK. Образующиеся в процессе гидролиза серную и соляную кислоты следует нейтрализовать известью или другими щелочами. Нейтрализация образующихся прн гидролизе коагулянтов кислот может также протекать за счет щелочного резерва сточной жидкости: В целях уменьшения расходов коагулянтов процесс коагуляции следует осуществлять в диапазоне оптимальных величин pH. Так, значения pH при оптимальных условиях коагуляции: для А1(ОНK—4,5—7; для Fe(OHJ—8,5—10,5, а для Fe(OHK—4—6 и 8—10. Для очистки производственных сточных вод применяют различные минеральные коагулянты. 1. Соли алюминия. Сульфат алюминия (глинозем) АІ2EО4)з> 18Н2О (плотность 1,62 т/м3, насыпная масса 1,05—1,1 т/м3, растворимость в соде при температуре 20°С—362 г/л). Процесс коагуляции солями алюминия рекомендуется проводить при значениях рН=4,5ч-8. В результате применения сульфата алюминия степень минерализации воды увели- 126
чивается. Алюминат натрия NaA102, оксихлорид алюминия А12(ОНMС1, полихлорид алюминия [Al2(OH)„Cle-nTm(SO4KC (где 1^п^5т^10), глюмокалиевые [A1K(SO4J- 18Н2О] и алюмоаммонийные [A1(NH4) (SO4J- 12HoO] квасцы имеют меньшую стоимость и дефицитность, чем сульфат алюминия. 2. Соли железа. Сульфат двухвалентного железа, или железный купорос FeSO4-7H2O (плотность 3 т/м3, насыпная масса 1,9 т/м3, растворимость в воде при температуре 20 °С—265 r/л). Применение процесса коагуляции оптимально при рН>9. Гидроксид железа —плотные, тяжелые, быстро осаждающиеся хлопья, что является несомненным преимуществом его применения. Хлорид железа РеС1з-6НгО; сульфат железа Fe2(SO4) з -9Н2О. 3. Соли магния. Хлорид магния MgCb-of-bO; сульфат магния MgSO4-7H2O. 4. Известь. 5. Шламовые отходы и отработанные растворы отдельных производств. Хлорид алюминия (производство этилбензола), сульфат двухвалентного железа (травление металлов), известковый шлам и др. Количество коагулянта, необходимое для осуществления процесса коагуляции, зависит от вида коагулянта, расхода, состава, требуемой степени очистки сточных вод и определяется экспериментально. Образующиеся в результате коагуляции осадки представляют собой хлопья размером от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. Рыхлая пространственная структура хлопьев осадка обусловливает их высокую влажность — до 96 — 99,9%. Плотность хлопьев осадка составляет обычно 1,01 —1,03 т/м3. Для обесцвечивания высококонцентрированных и интенсивно окрашенных вод расходы коагулянтов достигают 1—4 кг/м3; объем осадка, получающегося в результате коагуляции, достигает 10—20 % объема обрабатываемой сточной воды. Значительный расход коагулянтов, большой объем получающегося осадка, сложность его обработки н последующего складирования, увеличение степени минерализации обрабатываемых сточных вод не позволяют в большинстве случаев рекомендовать коагуляцию как метод самостоятельной очистки. Коагуляционный метод очистки применяется в основном при небольших расходах сточных вод и при наличии дешевых коагулянтов. Расширению оптимальных областей коагуляции (по pH и температуре) способствуют флокулянты, повышающие плотность и прочность образующихся хлопьев, снижаю'щие расход коагулянтов, повышающие надежность работы и пропускную способность очистных сооружений. При растворении в сточных водах флокулянты могут находиться в неионизированном и ионизированном состоянии. Последние носят название растворимых полиэлектролптов. В зависимости от состава полярных групп флокулянты бывают: неионогенные — полимеры, содержащие неионогенные группы: —ОН, >СО (крахмал, оксиэтилцеллюлоза, поливиниловый спирт, полиакри- лонитрил и др.); анионные — полимеры, содержащие анионные группы: — СООН, —SO3H, —OSO3H (активная кремниевая кислота, полиакрилат натрия, альгинат натрия, лигносульфонаты и др.); катионные — полимеры, содержащие катионные группы: —NH2, = NH (полиэтиленимин, сополимеры винилпиридина, ВА-2, ВА-102, ВА-212 и др.); амфотерные — полимеры, содержащие одновременно анионные и катионные группы:полиакриламид, белки и др. Скорость и эффективность процесса флокуляции зависят от состава сточных вод, их температуры, интенсивности перемешивания и последовательности введения коагулянтов и флокулянтов. Дозы флокулянтов принимаются обычно 0,1—10 г/м3, а в среднем 0,5—1 г/м3. Так, применение добавок полиакриламида в концентрации 1 г/м3 при коагуляции 127
сточных вод металлургического завода позволило увеличить удельную нагрузку на радиальные отстойники в 2 раза. Процесс очистки сточных вод методом коагуляции или флокуляции включает приготовление водных растворов коагулянтов или флокулян- тов, их дозирование, смешение со всем объемом сточной воды, хлопье- образование, выделение хлопьев из нее. В реагентное хозяйство на очистных сооружениях входят склады для хранения коагулянтов. В настоящее время широко применяется так называемое мокрое хранение коагулянтов (в виде раствора или кускового продукта в концентрированном растворе) в баках и резервуарах (рис. 4.2), располагаемых внутри или вне здания. Емкости, размещаемые вне здания, следует утеплять. Растворение коагулянтов в воде осуществляется в растворных баках с устройствами для барботажа сжатым воздухом интенсивностью 4—5 л/с на 1 м2 площади колосниковой решетки. Применяются также баки с лопастными и пропеллерными мешалками для растворения соответственно зернистых и кусковых материалов (размером не более 20 мм). Из растворных баков растворы коагулянтов перекачивают в расходные баки, а оттуда дозируют в обрабатываемую воду с помощью дозаторов различных конструкций. Коагулянты вводят в обрабатываемую сточную воду обычно в виде 1—10%-ных растворов, а флокулянты —в виде 0,1—1 %-ных растворов. Коагулянты смешивают с обрабатываемой сточной водой в смесителях, продолжительность пребывания воды в которых составляет I—2 мин. Применяют перегородчатые, дырчатые, шайбовые и вертикальные смесители, а также механические с пропеллерными или лопастными мешалками. Трубопроводы или лотки, отводящие воду из смесителей в камеры хлопьеобразования и осветлители со взвешенным осадком, рассчитывают на скорость движения сточной воды 0,8—1 м/с и продолжительность ее пребывания в них не более 2 мин. После смешения сточных вод с коагулянтами начинается процесс образования хлопьев, который происходит в камерах хлопьеобразования. Эти камеры могут быть водоворотные, перегородчатые, вихревые, а также с механическим перемешиванием. Водоворотные камеры хлопьеобразования представляют собой цилиндр, в верхнюю часть которого из смесителя вводится сточная вода с вращательной скоростью на выходе из сопла 2—3 м/с. В нижней части камеры перед выходом в отстойник находятся гасители вращательного движения воды. Продолжительность пребывания воды в камере 15— 20 мин. Перегородчатые камеры могут быть горизонтальными и вертикальными. В горизонтальной камере (рис. 4.3) сточная вода протекает по нескольким последовательно соединенным коридорам. Перемешивание осуществляется за счет восьми — десяти поворотов. Коридоры устраиваются таким образом, чтобы скорость движения воды в первом была 0,2— 0,3 м/с, а в последнем —0,1 м/с. Продолжительность пребывания воды в перегородчатых камерах 20—30 мин. Высота камеры .определяется высотой отстойника, а ширина коридоров составляет не менее 0,7 м. Вихревая камера хлопьеобразования представляет собой конический или цилиндрический расширяющийся кверху резервуар с нижним впуском сточной воды со скоростью 0,7—1,2 м/с. Угол наклона стенок камеры к горизонту около 70°. Скорость восходящего потока сточной воды на уровне выпуска 4—5 м/с, продолжительность пребывания воды в камере 6—10 мин. В камерах хлопьеобразования с лопастными мешалками продолжительность пребывания воды 20—30 мин, а скорость движения воды 0,15—0,2 м/с. Последующее осветление сточной воды производится в горизонтальных, радиальных и вертикальных отстойниках, Наиболее шэлесообраз- 12S
План I I I I I I Mill' 11111 I I j I Рис. 4.2. Баки для мокрого хранения коагулянта I — кусковой коагулянт (глинозем); 2, 3, 4 — подача соответственпо воды, пара и сжатого воздуха; j — насос для перекачки раствора в пасходные баки; 6 — выпуск в канализацию; 7. — подача воды для смывании осадка А-А План Рис. 4.3. Перегородчатая камера хлопьеобразования с горизонтальным движением обрабатываемой сточной воды 7, 2 — отводной канал соответственной сточной воды и осадка; .?. 4— шиберы соответственно для отключения части коридоров камеры и выпуска осадка кой является двухступенчатая схема отстаивания сточных вод. На [ ступени осуществляется простое отстаивание в отстойнике без коагулянта, на II ступени — обработка сточных вод коагулянтами и флокулянтами с последующим отстаиванием в отстойнике. Если в производственных сточных водах концентрация взвешенных 9—179 129
веществ, способных к агрегации, не превышает 4 г/л, то применяют осветлители со взвешенным слоем осадка. В осветлителях происходят три основных процесса: смешение, коагуляция и осветление сточных вод. Обрабатываемая в осветлителях сточная вода проходит снизу вверх через слой ранее выделившегося шлама с такой скоростью, при которой взвешенные частицы не уносятся.из зоны взвешенного осадка. При движении сточной воды через взвешенный слой увеличивается эффект задержания мелких суспензированных частиц. Осветлители проектируются круглыми (диаметр до 15 м) или прямоугольными в плане, площадь осветлителя не должна превышать 150 м2. Для обеспечения нормальной работы осветлителя сточную воду после смешения с'коагулянтами направляют в воздухоотделитель, где она освобождается от пузырьков воздуха, выделяющихся в результате реакций. В течение 1 ч допускается колебание температуры не более чем на 1 °С, а расхода — не более чем на 10 %. Резкие колебания скорости движения воды не допускаются. Величина восходящей скорости потока в зоне осветления зависит от концентрации взвешенных веществ. Так, при обработке сточных вод сульфатом, алюминия при содержании взвешенных веществ до 400 мг/л расчетная скорость восходящего потока ирасч = 0,8-М мм/с, 400— 1000 мг/л—арасч= 1-7-1,1 мм/с, 1000—2500 мг/л—орасчч= 1,1-=-1,2 мм/с.- Высота слоя взвешенного осадка принимается равной 1,5—2,5 м; высота защитной зоны от верха осадкоотводящих окон или труб до лотков для сбора осветленной воды 1 —1,5 м; низ осадкоприемиых окон или кромка осадкоотводящих труб располагается на расстоянии 1,5—1,75 м выше перехода наклонных сте^нок осветлителя в вертикальные; угол наклона к горизонту нижних частей стенок осветлителей и осадкоуплотни- телей принимается не менее 45°. Избыток шлама, накапливающегося в осветлителе, перетекает под действием разности плотностей осветленной воды и взвешенного слоя в осадкоуплотнитель (осветлители с естественным отсосом шлама) либо отсасывается вследствие разностей уровней отбора воды из рабочей камеры и уплотнителя (осветлитель с принудительным отсосом избытка шлама). Осветлители второй конструкции работают эффективнее. Исходя из концентрации взвешенных веществ в обрабатываемой сточной воде С,„ при известных расчетной скорости восходящего потока воды в зоне осветления 1>Расч, эталонной концентрации взвешенных веществ во взвешенном слое Сэ (при скорости движения воды 1 мм/с и температуре 20°С) и концентрации взвешенных веществ в осадке после его уплотнения Сшл (табл. 4.1) можно определить расход воды и размеры осветлителя. ТАБЛИЦА 4.1. ПАРАМЕТРЫ ДЛЯ РАСЧЕТА ОСВЕТЛИТЕЛЕЙ СО ВЗВЕШЕННЫМ СЛОЕМ ОСАДКА С„. г/мз 100—400 400—1000 1000—2500 ирасч- M/q 2,8—3,6 3,6—4 4—4,3 Сэ, г/м» 1000—2000 2000—2500 2500—10 000 Сшл, г/ма, после уплотнения в течение 4 ч 20 000 25 000 32 000 6 ч 24 000 27 000 34 000 Расчетный расход сточной воды Qpac4, м3/ч, проходящей через осветлитель, определяется по формуле D.1) где Qocb — расход сточных вод, выходящпх из осветлителя, мэ/ч; Ск — конечная концентрация взвешенных веществ в сточной воде, г/м1. Г;..'.:;ца,;ь ^ьстлпс.іл ігиСПі м2, с вертикальным осадкоуплотнителем
Рис. 4.4. Осветлители со взвешенным слоем осадка / — воздухоотделитель; 2 — опускные трубы; 3— осадко- отводные трубы или окна; 4 — осадкоун- лотннтель; 5, 5—трубопроводы соответственно выпуска осадка и отвода осветленной воды нз осад- коуплотнителя находим по выражению •^осв = ^з.о + ^0.7 — Qogb D-2) где ґа.о н Fa.у — площадь зоны соответственно осветления и осадкоуплотни- теля, м2; kp — коэффициент распределения воды между зоной осветления и осадкоуплотнителем, равный: ; D.3) Ф — коэффициент подсоса осветленной воды в осадкоуплотнитель, равный 1,15—1,2. Площадь осветлителя с поддонным осадкоуплотнителем Рис. 4.5. Электрокоагуляционная установка' / — подача сточных вод; 2 — отстойник; 3 — резервуар-электрокоагулятор; 4 — пакет плоских листоных стальных электродов; 5 — выпуск обработанных сточных вод в систему оборотного водоснабжения; € — выпрямитель электрического тока; 7 — выпус F оси = fa.o + F отв = Qocb [I +(CH—Ск/ ^шлі і^р/ирасч+Ф 0—kp)/u0TisL D.4) где Fore — площадь поперечного сечения осадкоотводящих труб, м2; уотв — скорость движения воды с осадком в осадкоотводящих трубах, равная 90—140 м/ч. Объем зоны накопления и уплотнения осадка \57а.у (часть объема осадкоуплотнителя,-которая расположена на 0,5—0,7 м ниже нижней кромки осадкоотводящих окон или труб) должен удовлетворять условию 131
Wa.y > «Зрасч t (Сн - Ск)/Стл, D.5) ГдЄ (— продолжительность уплотнения шлама, разная 3—6 ч. На рис. 4.4 приведены конструкции осветлителей, разработанных ВНИИ ВОДГЕО с поддониымн (а, б) н вертикальными (а) осадкоуп- лотнителямн. Коагуляция вод, содержащих мелкодисперсные и кололидные частицы, может происходить при пропуске-сточных вод_черезі электролизер с анодом, изготовленным из алюминия или железа. Металл анода под действием 'постоянного тока ионизируется и переходит в сточную воду, частицы загрязнений которой коагулируются образовавшимися труднорастворимыми гидроксидамн алюминия или железа. Растворение в воде 1 г алюминия эквивалентно введению 6,3 г A12(SO4K и 1 г железа — введению 2,9 г' FeCl3 и 3,6 г Fe2(SO4K. Теоретический расход электроэнергии для растворения 1 г алюминия 12 ВтХ Хч, а 1 г железа — 2,9 Вт-ч. Плотность тока рекомендуется не более 10 А/м2, расстояние между электродами не более 20 мм, а скорость движения воды между электродами не менее 0,5 м/с. Метод электрохимического коагулирования может быть применен для обработки сточных вод, содержащих эмульгированные частицы масел, жиров и нефтепродуктов, хроматы, фосфаты. Компактность установок, отсутствие реагентного и складского хозяйства, простота обслуживания являются несомненным достоинством метода электрохимической коагуляции. Однако значительные расходы электроэнергии и металла, являющиеся следствием образования окисной пленки на поверхности электродов, их механического загрязнения примесями сточных вод, а также нагревания обрабатываемой сточной' воды, ограничивают область применения этого метода. На рис. 4.5 приведена схема электрокоагуляционной установки по очистке производственных сточных вод, содержащих нефтепродукты и взвешенные вещества в концентрации соответственно 0,3—7,5 и 0,5— 8 г/л. При электрокоагуляции в резервуаре (электрокоагуляторе) через систему плоских стальных электродов, установленных на расстоянии 10 мм друг от друга, пропускается постоянный ток плотностью 0,6 А/дм2 под напряжением 10—18 В. При продолжительности контакта сточных вод в электрическом поле 15—30 с и пропускной способности 1,5—3 іи3/ч на 1 м2 площади поверхности электродов одного полюса эффективность очистки достигает 99%. Положительные результаты получены также при обработке сточных вод цеха гальванопокрытий, где расход электроэнергии на 1 м3 обрабатываемой сточной воды составляет 0,4—0,5 кВт-ч. § 20. СОРБЦИЯ Сорбция — это процесс поглощения вещества из окружающей срелы твердым телом или жидкостью. Поглощающее тело называется сорбентом, а поглощаемое — сорбатом. Различают поглощение вещества всей массой жидкого сорбента (абсорбция) и поверхностным слоем твердого или жидкого сорбента (адсорбция). Сорбция, сопровождающаяся химическим взаимодействием сорбента с поглощаемым веществом, называется хемосорбцией. Сорбция представляет собой оДин из наиболее эффективных методов глубокой очистки от растворенных органических веществ сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной, химической, нефтехимической, текстильной и других отраслей промышленности. Сорбционная очистка может применяться самостоятельно и совместно с биологической очисткой как метод предварительной и глубокой очистки. Преимуществами этого метода являются возможность адсорбции веществ многокомпонентных смесей и, кроме того, высокая эффективность очистки, особенно слабо- концентрированных сточных вод. Сорбционные методы весьма эффектив- 132
ны для извлечения из сточных вод ценных растворенных веществ с их последующей утилизацией и использования очищенных сточных и -л з системе оборотного водоснабжения промышленных предприятий. Адсорбция растворенных веществ — результат перехода молекулы рассоренного вещества из раствора на поверхность твердого сорбента под действием силового поля поверхности. При этом наблюдаются дьа вида межмолекулярного взаимодействия: молекул растворенного веществу с молекулами (или атомами) поверхности сорбента и молекул раетног^н- него вещества с молекулами воды в растворе (гидратация). Разыссть этих двух сил межмолекулярного взаимодействия и есть та сила, с которой удерживается извлеченное из раствора вещество на поверхности сорбента. Чем больше энергия гидратации молекул растворенного вещества, тем большее противодействие испытывают эти молекулы при переходе на поверхность сорбента и тем слабее адсорбируется вещество из раствора. Сорбционная очистка сточных вод наиболее рациональна, если в них содержатся преимущественно ароматические соединения, неэлектролиты или слабые электролиты, красители, непредельные соединения или гидрофобные (например, содержащие хлор или нитрогруппы) алифатические соединения. При содержании в сточных водах только неорганических соединений, а также низших одноатомных спиртов этот метод не применим. <В качестве сорбентов применяют различные искусственные и природные пористые материалы: золу, коксовую мелочь, торф, силикагели, глюмогели, активные глины и др. Эффективными сорбентами являются активированные угли различных марок. Пористость этих углей составляет 60—75 %, а удельная площадь поверхности 400—900 м2/г. Адсорбционные свойства активированных углей в значительной мере зависят от структуры пор, их величины, распределения по размерам. В зависимости от преобладающего размера пор активированные угли делятся на крупно- и мелкопористые и смешанного типа. Поры по своему размеру подразделяют на три вида: макропоры размером 0,1—2 мкм, переходные размером 0,004—0,1 мкм, микропоры размером менее 0,004 мкм. Макропоры и переходные поры играют, как правило, роль транспортирующих каналов, а сорбционная способность активированных углей определяется в основном микропористой структурой. Растворенные органические вещества, имеющие размеры частиц менее 0,001 мкм, заполняют объем микропор сорбента, полная емкость которых соответствует поглощающей способности сорбента. В табл. 4.2 приведены полная емкость и объем микропор для активированных углей различных марок. ТЛБ Л И Марка угля АГ-2 5АУ АР-3 Полная емкость, СМ3/Г 0,6 1,Ь 0,7 Ц А 4.2. І1 0,3 0,22 0,19 ХАРАКТЕРИСТИКИ АКТИВИРОВАННЫХ Основной размер зерен, мм 1—3,5 1—3,5 1—5,5 Насыпная масса, кг/м' 600 260 550 Марка угля КАД йодат- ный КАД молотый СКТ Полная емкость, см'/г 1 0,98 УГЛЕЙ л " II 0,23 0,12 0,51 ОсновноП размер зерен, мм 1—5 <0,04 1—3,5 Насыпная масса, кг/м1 ,480 420 Активность сорбента' характеризуется количеством поглощаемого вещества на единицу объема или массы сорбента (кг/м3, кг/кг). Процесс сорбции может осуществляться в статических условиях, при которых частица жидкости не перемещается относительно частицы сорбента, т. е. движется вместе с последней (аппараты с перемешивающими устройствами), а также в динамических условиях, при которых час- 133
Рис. 4.6. Процесс сорбции в статических (а) и динамических (б) условиях тица жидкости перемещается относительно сорбента (фильтры, аппараты с псевдоожиженным слоем). В соответствии с этим различают статическую и динамическую активность сорбента. Статическая активность сорбента характеризуется максимальным количеством вещества, поглощенного единицей объема или массы сорбента к моменту достижения равновесия при постоянных температуре жидкости и начальной концентрации вещества; динамическая активность сорбента — максимальным количеством вещества, поглощенного единицей объема или массы сорбента до момента появления сорбируемого вещества в фильтрате при пропуске сточной воды через слой сорбента. Динамическая активность в промышленных адсорберах составляет 45—90 % статической. Между количествами вещества, адсорбированного сорбентом и оставшегося в растворе, в разбавленных растворах наступает равновесие, подчиняющееся закону распределения. Сорбция — процесс обратимый, т. е. адсорбированное вещество (сор- бат) может переходить с сорбента обратно в раствор. При прочих равных условиях скорости протекания прямого (сорбция) и обратного (десорбция) процессов пропорциональны концентрации вещества в растворе и на поверхности сорбента. Поэтому в первые моменты сорбции, т. е. при максимальной концентрации вещества в растворе, скорость сорбции также максимальна. По мере повышения концентрации растворенного вещества на поверхности сорбента увеличивается число сорбированных молекул, переходящих обратно в раствор. С момента, когда количество сорбируемых из раствора (в единицу времени) молекул становится равным количеству молекул, переходящих с поверхности сорбента в раствор, концентрация раствора становится постоянной; эта концентрация называется равновесной. Если после достижения адсорбционного равновесия несколько повысить концентрацию обрабатываемого раствора, то сорбент сможет извлечь из него еще некоторое количество растворенного вещества. Однако нарушаемое таким образом равновесие будет восстанавливаться лишь до полного использования сорбцион- ной емкости (способности) данного сорбента, после чего повышение концентрации вещества в растворе не изменяет величины адсорбции. Одним из основных критериев оценки адсорбционных свойств сорбента является изотерма сорбции, которая аналитически описывается уравнением Фрейндлиха или Ленгмюра. Последнее после преобразования эмпирических коэффициентов и допущений, сделанных с учетом слабоконцентрированного раствора сточных вод, имеет вид: "—"адсьрайн> V4-a> где а — удельная адсорбция, кг/кг; АГадс — адсорбционная константа распределения сорбата между сорбентом и раствором, ее величина при прочих равных условиях зависит от температуры; Сравн — равновесная концентрация адсорбируемого вещества на сорбенте, кг/кг. Пример изотермы сорбции приведен на рис. 4.6, а. В зависимости от области применения метода сорбционной очистки, места расположения адсорберов в общем комплексе очистных сооружений, состава сточных вод, вида и крупности сорбента и др. назначают ту или иную схему сорбционной очистки и тип адсорбера. Так, перед сооружениями биологической очистки применяют насыпные фильтры с диаметром зерен сорбента 3—5 мм или адсорбер с псевдоожиженным слоем сорбента с диаметром зерен 0,5—1 мм. При глубокой очистке производственных сточных вод 134
и возврате их в систему оборотного водоснабжения применяют аппараты с мешалкой и намывные фильтры с крупностью зерен сорбента 0,1 мм и менее. Наиболее простым является насыпной фильтр, представляющий собой колонну с неподвижным слоем сорбента, через который фильтруется сточная вода. Скорость фильтрования зависит от концентрации растворенных в сточных водах веществ и составляет 1—6 м/ч; крупность зерен сорбента— 1,5—5 мм. Наиболее рациональное направление фильтрования жидкости — снизу вверх, так как в этом случае происходит равномерное заполнение всего сечения колонны и относительно легко вытесняются пузырьки воздуха или газов, попадающих в слой сорбента вместе со сточной водой. В колонне слой зерен сорбента укладывают на беспровальную решетку с отверстиями диаметром 5—10 мм и шагом 10—20 мм, на которые укладывают поддерживающий слой мелкого щебня и крупного гравия высотой 400—500 мм, предохраняющий зерна сорбента от провали- вания в подрешеточное пространство и обеспечивающий равномерное распределение потока жидкости по всему сечению. Сверху слой сорбента для предотвращения выноса закрывают сначала слоем гравия, затем 'слоем щебня и покрывают решеткой (т. е. в обратном порядке). Фильтры с неподвижным слоем сорбента применяют при регенеративной очистке цеховых сточных вод с целью утилизации выделенных относительно чистых продуктов. Процесс десорбции осуществляется с помощью химических растворителей или пара. При расчете насыпных фильтров время защитного их действия 13.л определяют по формуле *а.д = *в.дЯ-т, D-7) где &з.д — коэффициент защитного действия, определяемый экспериментально; Н — высота слоя сорбента, м; т — потеря времени защитного действия. Коэффициент защитного действия равен: 6з.д = аРавн/(кСн), D.8) где аравя — предельная насыщенность сорбента, равновесная с концентрацией, кг/кг (устанавливается по экспериментальной изотерме сорбции); v — скорость фильтрования, м/ч; Сн — начальная концентрация вещества в сточной воде, кг/ма, Потеря времени защитного действия т = вДт< D.9) где в — пористость сорбента (в долях единицы); Дт — время, в течение которого концентрация веществ в фильтрате изменяется от концентрации сорбата при допустимом ПрОСКОКе Сдп ДО С„. Величина Дт определяется по выходной кривой динамики сорбции (рис. 4.6,6), устанавливаемой экспериментально. По выходной кривой определяется момент появления сорбата в фильтрате тпр — время проскока, а после этого момента фиксируется увеличение концентрации сорбата до максимального, соответствующего Си. Количество вещества V, задерживаемого насыпным фильтром, кг, у = (Я —h)Faa, D.10) где h — эмпирическая константа; F — площадь фильтра, м2; ад — динамическая активность сорбента, кг/м3. Обычно сорбционная установка представляет собой несколько параллельно работающих секций, состоящих из трех — пяти последовательно расположенных фильтров. При достижении предельного насыщения головной фильтр отключается на регенерацию, а обрабатываемая вода подается на следующий фильтр. После регенерации головной фильтр включается в схему очистки уже в качестве последней ступени. Процесс сорбции в статических условиях осуществляется путем интенсивного перемешивания обрабатываемой сточной воды с сорбентом в течение определенного времени / и последующего отделения сорбента бт 135
2 1 О 3 о \ г 1 5 cJo ч 4 / г •-4. (Jo Рис. 4.7. Сорбционная установка с последовательным введением сорбента 1.2 — подача соответственно сточной воды и сорбента; 3 — резервуары с перемешивающим усу ройством; 4 — отстойники для отделения отработанного сорбента от сточной воды; 5 — вып;с» обработанной сточной йоды; 6 — выпуски отработанного сорбента Рис. 4.8. Сорбционная установка с противоточным введением сорбента / — подача сточной воды; 2 — резервуары с перемешивающим устройством; 3 — отстойники дли отделения отработанного сорбента от сточной воды; 4 — подача сорбента; 5 — выпуск обработанной сточной воды; 6 — резервуар для сбора сорбента; 7 — насосы для перекачки сорбента; 8 — выпуск отработанного сорбента воды отстаиванием, фильтрованием и т. п. При последовательном введении новых порций сорбента в очищаемую воду можно очистить ее от загрязняющих веществ до любом концентрации. В основу расчета таких адсорбционных аппаратов с перемешивающими устройствами положено балансовое уравнение ma+QCpaBH = QCH, D.11) где т — количество сорбента, кг; Q — количество обрабатываемых сточных вод, м-1. Решая это уравнение относительно т и учитывая зависимость D.6), можно записать: /п-= ¦ Q (Сн — /са D.12) Если процесс сорбции осуществляется по одноступенчатой схеме, то концентрация сорбата в сточной воде будет Q + /Саде т Для расчета сорбционных установок необходимо иметь изотерму сорбции, знать константу адсорбции и задаться требуемой степени очистки, иначе говоря, величиной сорбата в обработанной сточной воде. Если расчет величин Ск и т ведется для технологической схемы с последовательным введением сорбента (рис. 4.7), при двухступенчатой очистке используется формула Сгн — Q + «2 Сік = 1п2 где Ст — концентрация сорбата после II ступени, кг/м3; т2 вводимого на каждой ступени, кг. Сц, D.14) - количество сорбента, 136
При числе ступеней п концентрацию сорбата после очистки Спк определяют пи Лормуле ( , ) Св. D.15) \Q-r Аадс "W Дозу сорбента, вводимого в каждую ступень тп, подсчитывают по уравнению «п= (^Си/Ста- 1 )<3/КаДс. D. 16) Общее количество сорбента m = птп. D.17) При проектировании сорбционных установок с противоточным введением сорбента (рис. 4.8) концентрацию вещества в обработанной сточной воде после п ступеней находят по выражению m!Q - 1 ^ DЛ8) Расход сорбента, вводимого при использовании противоточной технологической схемы только в последнюю ступень установки, определяют из уравнения где а=(*адс/0)п+1; ? = Яадс C„/(QCnK); v=CH/CnK-l. Противоточные сорбционные установки применяются значительно шире благодаря более экономичному расходованию сорбента. При относительно высоком содержании в сточной воде мелкодиспер- гированных взвешенных частиц, заиливающих сорбенты, а также в случае, если равновесие устанавливается медленно, рационально применять процесс с псевдоожиженным слоем сорбента. Псевдоожижение слоя наступает при повышении скорости потока сточной воды, проходящей снизу вверх, до такой величины, при которой зерна расширившегося слоя начинают интенсивно и беспорядочно перемещаться в объеме слоя, сохраняющего постоянную для данной скорости высоту. Важнейшим показателем работы установки с псевдоожиженным слоем сорбента является относительная пористость Єотн=1-Й7сорб/Гп.сл, D.20) где ИРсор« — объем чаотиц сорбента, образующих псевдоожиженный слой; Wn.ca— объем псевдоожнженного слоя. В цилиндрических колоннах вместо показателя «относительная пористость» используется показатель «относительное расширение слоя», равный отношению высот псевдоожиженного и неподвижного слоев #п.сл/#неп.сл, оптимальная величина которого равна 1,5. При этом размеры частиц активированного угля составляют 0,25—1 мм, что отвечает скорости потока сточной воды 7—10 м/ч. В настоящее время в основном применяют цилиндрические одноярусные адсорберы (рис. 4.9). Такой аппарат представляет собой колонну высотой около 4 м. Верхняя часть ее соединена с царгой, имеющей диаметр, в 1,5—2 раза больший диаметра основной колонны. В зависимости от диаметра колонны коническое днище имеет центральный угол 30—60°. Непосредственно над коническим днищем устанавливается распределительная решетка с отверстиями 5—10 мм и шагом отверстий около 10 мм, на которую загружается активированный уголь с размером частиц 0,25—1 мм и преимущественным содержанием фракции 0,5— 0,75 мм. Высота неподвижного слоя угля составляет 2,5—2,7 м. В нижнюю часть аппарата через центральную трубу, заканчивающуюся диффузором под решеткой, либо через боковой патрубок тройника, подсоединенного к конусному днищу, поступает сточная вода со скоростью, обеспечивающей относительное расширение слоя 1,5—1,6. 137
fr Уголь равномерно подается в аппарат из бункера с автоматическим дозатором. Сорбент в виде 5—20 %-ной суспензии поступает в верхнюю расширенную часть той же центральной трубы, по которой в колонну адсорбера подается сточная вода. В трубе эта вода смешивается с углем. Образовавшаяся суспензия поступает через диффузор под решетку, продавливается через ее отверстия и задерживается в нижней части псевдоожиженного слоя угля, который находится в колонне. Обработанная сточная вода отводится в кольцевой желоб верхней части царги. Сорбционная очистка может быть регенеративной, когда извлеченные вещества утилизируются, или деструктивной, когда извлеченные вещества уничтожаются. В зависимости от назначения сорбционной очистки применяются различные методы регенерации сорбента или его уничтожения. Для извлечения сорбированных веществ могут быть использованы экстрагирование органическим растворителем, изменение степени диссоциации слабого электролита в равновесном растворе, отгонка адсорбированного вещества с водяным паром, испарение адсорбированного вещества током инертного газообразного теплоносителя. В отдельных случаях осуществляют химические превращения сорбированных веществ с последующей десорбцией. Легколетучие органические вещества (бензол, нитробензол, толуол, этиловый спирт) десорбируют воздухом, инертными газами, перегретым паром. При этом температура воздуха должна быть 120— 140 °С, перегретого пара — 200—300 °С, а дымовых или инертных газов — 300— 500 °С. Расход пара на отгонку легколетучих веществ из активированного угля составляет 3—12 кг на 1 кг сорбированного вещества. В качестве десорбентов могут использоваться низкокипящне, лег- Рис. 4.9. Цилиндрический ярусный адсорбер одно- / — подача сточной воды; 2 — цилиндрическая колонна; 3 — центральная труба с диффузором; 4 — царга; 5 — подача сорбента; в — выпуск обработанной сточной воды; 7 — сгуститель сорбента; 8 — выпуск отработанного сорбента; у — распределительная решетка Рис. 4.10. Установка термической регенерации высокодисперспого активированного угля / — сборник отработанного уг.та; 2— дозатор; :! — реї еиератор; 4— камера сгорания; 5 —сепаратор; о' — шнек; 7 — фильтр; 8 — пневматический транспортер; у — сборник регенерированного угля 13S
ко перегоняющиеся с водяным паром органические растворители: бензол, бутилацетат, дихлорэтан, толуол и др. Процесс десорбции осуществляется при'Нагревании или на холоде, затем растворитель отгоняется из сорбента острым водяным паром или другим теплоносителем. При деструктивной очистке обычно применяют термические или окислительные методы. При применении термического метода (рис. 4.10) следует учитывать потери сорбента (так, потерн активированного угля составляют 5—10%). Стоимость сорбционой очистки 1 м3 сточных вод активированным углем составляет 60—70 коп., из которых 30—35 % составляют затраты на активированный уголь. § 21. ФЛОТАЦИЯ Флотация — процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела двух фаз, обычно газа (чаще воздуха) и жидкости, обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания. Процесс очистки производственных сточных вод, содержащих ПАВ, нефть, нефтепродукты, масла, волокнистые материалы, методом флотации заключается в образовании комплексов «частицы — пузырьки», всплывании этих комплексов и удалении образовавшегося пенного слоя с поверхности обрабатываемой жидкости. Прилипание частицы, находящейся в ней, к поверхности газового пузырька возможно только тогда, когда наблюдается несмачивание или плохое смачивание частицы жидкостью. Смачивающая способность жидкости зависит от ее полярности, с возрастанием которой способность жидкости смачивать твердые тела уменьшается. Внешним проявлением способности жидкости к смачиванию является величина поверхностного натяжения ее на границе с газовой фазой, а также разность полярностей на границе жидкой и твердой фаз. Процесс флотации идет эффективно при поверхностном натяжении воды не более 60—65 мН/м. Степень смачиваемости в\эдой твердых или газовых частиц, взвешенных в воде, характеризуется величиной краевого угла смачивания 0 (рис. 4.11). Чем больше угол 0, тем более гидрофобна поверхность частицы, т.е. увеличивается вероятность прилипания к ней и прочность удержания на ее поверхности воздушных пузырьков. Такие частицы обладают малой смачиваемостью и легко флотируются. Большое значение при флотации имеют размер, количество и равномерность распределения воздушных пузырьков в сточной воде. Оптимальные размеры воздушных пузырьков 15—30 мкм, а максимальные 100—200 мкм. В практике очистки производственных сточных вод выработаны различные конструктивные схемы, приемы 'И методы флотации. Метод пенной флотации применяют для извлечения нерастворенных и частичного снижения концентрации некоторых растворенных веществ, метод пенной сепарации — для удаления растворенных веществ. Наиболее существенные принципиальные отличия способов флотации связаны с насыщением жидкости пузырьками воздуха определенной крупности. По этому принципу можно выделить -следующие способы флотационной обработки производственных сточных вод: 1) флотация с выделением воздуха из раствора (вакуумные, напорные и эрлифтные флотационные установки); 2) флотация с механическим диспергированием воздуха (импеллер- ные, безнапорные и пневматические флотационные установки); 3) флотация с подачей воздуха через пористые материалы; 4) электрофлотация; 5) биологическая и химическая флотация. 139
Флотационные установки могут состоять из одного или двух отделений (камер). В однокамерных установках в одном и том же отделении происходит одновременно насыщение жидкости пузырьками воздуха и всплывание флотирующихся загрязнений. В двухкамерных установках, состоящих из приемного и отстойного отделений, в первом отделении происходит образование пузырьков воздуха и агрегатов «пузырек — частица», а во втором — всплывание шлама (пены) и осветление жидкости. Флотация с выделением воздуха из раствора применяется при очистке производственных сточных вод, содержащих очень мелкие частицы загрязнений, поскольку позволяет получать самые мелкие пузырьки воздуха. Сущность его заключается в создании перенасыщенного раствора воздуха в сточной жидкости. Выделяющийся из такого раствора воздух образует микропузырьки, которые и флотируют содержащиеся в сточной воде загрязнения. Количество воздуха, которое должно выделиться из пересыщенного раствора и обеспечить необходимую эффективность флотации, обычно составляет 1—5 % объема обрабатываемой сточной воды. Преимуществом вакуумной флотации является то, что образование пузырьков газа, их слипание с частицами загрязнений и всплывание образовавшихся агрегатов «пузырек — частица» происходит в спокойной среде и вероятность их разрушения сводится к минимуму; минимальны также энергозатраты и на насыщение жидким воздухом, образованней измельчение воздушных пузырьков. В то же время необходимость сооружения герметически закрытых резервуаров, сложность эксплуатации вакуумных флотационных установок, а также ограниченный диапазон их применения (концентрация загрязнений в сточной воде не должна превышать 250 мг/л) являются недостатками метода вакуумной флотации. Сточная жидкость, поступающая на флотацию, предварительно насыщается воздухом в течение 1—2 мин в аэрационной камере (рис. 4.12,а), откуда она поступает в деаэратор для удаления нерастворившего- ся воздуха. Далее под действием разрежения @,02—0,03 МПа) сточные воды поступают во флотационную камеру, в которой растворившийся при атмосферном давлении воздух выделяется в виде микропузырьков и выносит частицы загрязнений в пенный слой. Продолжительность пребывания сточной воды во флотационной камере 20 мин, а нагрузка на 1 м2 площади поверхности около 200 м3/сут. Скапливающаяся пена вращающимися скребками удаляется в пеносборник. Для отвода обработанной сточной во- Рис. 4.11. Схема прилипания пузырька воздуха / к взвешенной в воде частице 2 Рис. 4.12. Схемы процесса флотации с выделением воздуха из раствора а — вакуумной; 0 — напорной; / — подача сточной воды; 2— аэратор; 3 — деаэратор; 4— флотационная камера; fi— механизм сгребания пени; Ь — пенпсоорник; 7. 8 — отвод соитвсгственно ntHU и обработанной сточной види; і — подача воідуха; IU — насос; // — напорный Сак (сатуратор) 140
Рис. 4.13. Радиальный флотатор /, ? — соответственно отстойная и флотационная камера; 3 — вращающийся водораспределитель; 4—подача сточной воды; 5 — опорожнение флотатора н отвода осадка; 6 — механизм для сгребания пены; 7 — выпуск обработанной сточной воды; 8—неносборный лоток; 9—отвод оены ды обеспечивается необходимая разность отметок уровней во флотационной камере и приемном резервуаре или устанавливаются насосы. Напорная флотация имеет более широкий диапазон применения, поскольку позволяет регулировать степень пересыщения в соответствии с требуемой эффективностью очистки сточных вод при начальной концентрации загрязнений до 4—5 г/л и более. При напорной флотации (рис. 4.12,6) сточные воды насосом подаются в напорный бак (сатуратор). На всасывающем трубопроводе насоса имеется патрубок для подсоса воздуха. Объем сатуратора рассчитывают не необходимую продолжительность насыщения воздухом (обычно 1—3 мин) при избыточном давлении 0,3—0,5 МПа. Количество растворяющегося в сатураторе воздуха должно составлять 3—5 % объема обрабатываемой сточной воды. Насыщенная воздухом эта вода из сатуратора подается во флотационную камеру, где выделившиеся из сточной воды пузырьки воздуха асплыва- 141
Рис. 4.14. Двухкамерная прямоточная флотационная установка а — поперечный разрез; б — продольный разрез; / — отбойники; 2 — флотационная камера; 3 —вал импеллера; 4 — воздушная трубка; 5 — электродвигатель; 6 — пеносниматель; 7 — отверстия в статоре для внутренней циркуляции воды; 8 — статор; 9 — импеллер; 10, 11 — соответственно приемный и выпускной карман ют вместе с частицами взвешенных веществ. Всплывающая масса непрерывно удаляется механизмами для сгребания пены в пеносборннки. Площадь флотационной камеры следует принимать исходя из гидравлической нагрузки 6—10 м3/ч на 1 м2 площади поверхности камеры. Продолжительность флотации составляет 20 мин. При проектировании флотаторов для обработки сточных вод с расходом до 100 м3/ч принимаются прямоугольные в плане камеры глубиной 1 — 1,5 м, с расходом более 100м3/ч— радиальные флотаторы (рис. 4.13) глубиной не менее 3 м. Глубина зон флотации и отстаивания назначается не менее 1,5 м, а продолжительность пребывания воды в них соответственно не менее 5 и 15 мин. Сточные воды, насыщенные воздухом, поступают во флотатор снизу через вращающийся водораспределитель. Выделяющиеся из воды пузырьки воздуха всплывают вместе с частицами загрязнений. Вращающимся механизмом пена сгребается в лоток и удаляется. Обработанная вода отводится с днища и по вертикальным каналам переливается в отводящий кольцевой лоток. Пропускная способность одного флотатора не должна превышать 1000 м3/ч. Напорная флотация применяется для очистки сточных вод от нефти, нефтепродуктов, жиров, масел, ПАВ и волокнистых веществ. При эрлифтной флотации затраты энергии в 2—4 раза меньше, чем при напорной, но конструкция установки требует значительного перепада отметок по высоте между питательным резервуаром со сточной водой и аэратором, а также между аэратором и флотационной камерой (разность отметок составляет 20—35 м), что значительно сужает область применения этого метода. Флотация с механическим диспергированием воздуха. При перемещении струи воздуха в воде в последней создается интенсивное вихревое движение, под воздействием которого воздушная струя распадается на отдельные пузырьки. Энергичное перемешивание сточной воды во флотационных импеллерных установках создает в ней большое число мелких вихревых потоков, что позволяет получить пузырьки определенной величины. На рис. 4.14 приведена схема двухкамерной прямоточной флотационной установки (конструкции института Механобр). Сточная вода из приемного кармана поступает к импеллеру, в который по трубке засасывается воздух. Над импеллером расположен статор в виде диска с отверстиями для внутренней циркуляции воды. Перемешанные в импеллере вода и воздух выбрасываются через статор. Решетки, расположенные вокруг статора, способствуют более мелкому диспергированию воздуха в воде. Отстаивание пузырьков воздуха происходит над решеткой. Пена, содержащая флотируемые частицы, уда- 142
ляется лопастным пеноснимателем. Из первой камеры вода поступает во вторую такой же конструкции, где происходит дополнительная очистка сточной воды. Степень диспергирования воздуха зависит от окружной скоре /ги вращения импеллера, которую принимают равной 12—15 м/с. Диаметр импеллера должен быть не более 750 мм. Зона, обслуживаемая импеллером, не должна превышать размеров квадрата со стороной 6^и (гце du— диаметр импеллера). Высота флотационной камеры Нф принимается равной 1,5—3 м, продолжительность флотации /ф = 20ч-30 мин. Объем флотационной камеры W$, мг, D.21) где Q — расход сточных вод, м3/ч. Пропускная способность флотатора Q,|,, м3/ч, Удельный расход воздуха 5уд=40-?-50 м3/ч на 1 м2 площади поверхности флотационной камеры. Количество подаваемого импеллером воздуха QB, м3/с, <2в = 0,000278ЯуД/, D.23) где f — площадь водного зеркала флотационной камеры, м2. Необходимое число флотационных камер Яф определяют из соотношения пф=<Э/<Эф. D-24) Применение импеллерных установок целесообразно при очистке сточных вод с высокой концентрацией нерастворенных загрязнений (более 2—3 г/л) и содержащих нефть, нефтепродукты, жиры. Недостатком импеллерных флотаторов является относительно высокая обводненность пены. Особенно существенным становится этот недостаток в тех случаях, когда основной целью флотации является извлечение растворенных ПАВ, так как большой объем воды в пене заставляет создавать дополнительные установки для ее обработки, что удорожает очистку в целом. Диспергирование воздуха в безнапорных установках происходит за счет вихревых потоков, создаваемых рабочим колесом центробежного насоса. Схема флотации аналогична напорной (см. рис. 4.12,6), но в ней отсутствует сатуратор, что и является преимуществом безнапорной флотации. Образующиеся в камере безнапорной установки пузырьки имеют большую крупность, а следовательно, эффект флотации мелких частиц снижается. Безнапорные флотационные установки применяют для очистки сточных вод от жира и шерсти. Пневматические флотационные установки применяют при очистке сточных вод, содержащих растворенные примеси, которые агрессивны к механизмам (насосам, импеллерам и Др.), имеющим движущиеся части. Измельчение пузырьков воздуха достигается путем впуска воздуха во флотационную камеру через сопла, которые располагаются на воздухораспределительных трубках, укладываемых на дно флотационной камеры на расстоянии 0,25—0,3 м друг от друга. Диаметр отверстии сопл 1—1,2 мм; рабочее давление перед ними 0,3—0,5 МПа; скорость выхода струи из сопл 100—200 м/с. Глубина флотатора принимается 3—4 м. Объем флотатора W<f> определяется по формуле 60A D.2Б) где /ф — продолжительность флотации, равная 15—20 мин; ?аэр — коэффициент аэрации, равный 0,2—0,3. Требуемый расход воздуха зависит от интенсивности аэрации, ориентировочно равной 15—20 мэ/(м2-ч). 143
Необходимое число сопл Пс находят из выражения »c = Qb//co, D.26) где /с — площадь отверстия одного сопла, м2; v — скорость выхода воздушном струи, м/с. Флотация с подачей воздуха через пористые материалы отличается простотой аппаратурного оформления процесса и относительно малыми расходами энергии. Воздух во флотационную камеру подается через мелкопористые фильтросные пластины, трубы, насадки, уложенные на дне камеры. Величина отверстий должна быть 4—20 мкм, давление воздуха 0,1—0,2 МПа, продолжительность флотации 20—30 мин, расход воздуха определяется экспериментально. Рабочий уровень обрабатываемой сточной воды до флотации 1,5—2 м. Недостатком этого метода является возможность зарастания и засорения пор, а также трудность подбора мелкопористых материалов, обеспечивающих выход мелких близких по размерам пузырьков воздуха. Электрофлотация. Сущность электрофлотационного способа очистки сточных вод заключается в переносе загрязняющих частиц из жидкости на ее поверхность с помощью пузырьков газа, образующихся при электролизе сточной воды. В процессе электролиза сточной воды на катоде выделяется водород, а на аноде — кислород. Основную роль в процессе флотации частиц играют пузырьки, выделяющиеся на катоде. Размер пузырьков, отрывающихся от ¦ поверхности электрода, зависит от величины краевого угла смачивания, кривизны поверхности электрода, а также его конструкции. Замена пластинчатого катода на проволочный приводит к уменьшению крупности пузырьков и, следовательно, к повышению эффективности работы электрофлотатора. При применении растворимых электродов (обычно железных или алюминиевых) на аноде происходит анодное растворение металла, в результате чего в воду переходят катионы железа или алюминия, приводящие к образованию хлопьев гидроокисей. Одновременное образование хлопьев коагулянта и пузырьков газа в стесненных условиях межэлектродного пространства создает предпосылки для "адежного закрепления газовых пузырьков на хлопьях и интенсивной ..оагуляции загрязнений, что обеспечивает, эффективность флотационного процесса. Такие установки называются электрокоагуляционно-флотационными. При пропускной способности до 10—15 м3/ч установки могут быть однокамерными, а при большей пропускной способности — двухкамерными горизонтального или вертикального типа. Расчет установок для электрофлотации или электрофлотокоагуляции сводится к определению общего объема Wv установки, объемов электродного отделения Wa и камеры флотации W$, м3, следовательно, «7у = й7э+»7ф- D.27) Объем электродного отделения определяется из возможности размещения в нем необходимой электродной системы. Так, при расчете горизонтальной установки (рис. 4.15) ширина секции В принимается в зависимости от производительности Q: если Q<90 м3/ч, то В ='2. м, если <2=90-ь180 м3/ч, то ? = 2,5-^3 м. Число пластин электродов пэ, размещаемых в установке, а2), D.28) где пі — величина зазора между крайними пластинами и стенками камеры, равная 100 мм; а2 — величина зазора между пластинами, равная 15—20 мм; б — толщина пластин, равная 6—10 мм. Тогда необходимая площадь пластин электродов /0> м2. будет /в = /..»/(«в-1Ь D-29) где /а а—активная поверхность электродов, м2, определяемая по формуле U.» = EQ/i, D-30) 144
із Тогда объем электродной камеры, м3, составит: Рис. 4.15. Горизонтальный электрофлотатор /—впускная камера; 2 — решетка-успокоитель; З — электродная система; 4 — механизм для сгребании иены; 6 — иеносґифник; 6,7 — отвод соответственно обработанной сточной воды и пенного шлама; 8 — опорожнение электрофлотатора и выпуск осадка здесь Е — удельное количество электричества, А-ч/м3; Q — расчетный расход сточных вод, м:і/ч; і — плотность тока на электродах, А/м2. Величины Е и і определяются экспериментальным путем. При обработке сі шых вод нефтеперерабатывающих заводов, целлюлозно-бумажных комбинатов, кожевенных заводов, мясокомбинатов и др. величина ? = 100ч-600 А-ч/м3, i = 504-200 А/м2, напряжение постоянного тока 5—30 В. Определив /э и назначив высоту пластин /i3=l-5-l,5 м, найдем их длину /э=/э//1э, а затем подсчитаем длину электродной камеры Ц, м: D.31) ГЭ=/3/7ЭЛЭ, D.32) где На — рабочая высота электродной камеры, м, равная: Ha=-.hl + h2 + hi; D.33) здесь Л,—высота осветленного слоя, равная 1—1,5 м; h2 — высота защитного слоя, равная 0,3—0,5 м; /г3 — высота слоя шлама, равная 0,4—0,5 м. Объем флотационной камеры Гф = <#ф, D.34) где ^ф—продолжительность флотации, определяемая экспериментально и принимаемая обычно равной 0,3—0,75 ч. Длину LCp и высоту Нф флотационной камеры подсчитывают исходя из ее объема 1^ф и ширины В. При осуществлении процесса электрофлотокоагуляции необходимо определить количество металла электродов, переходящее в раствор, а также срок службы электродной системы: ma = kT3Et D.35) где тэ — количество металла, переходящего в 1 м3 раствора, г; kT*—коэффициент выхода по току, равный 0,5—0,95 (определяется экспериментально); Э-— электрохимический эквивалент, г/(А-ч), равный для Fe2+, Fe3+, AF+ соответственно 1,042; 0,695 и 0,336. Срок службы электродной системы Т, сут, T = M-l0Q0/(maQcyT), D.36) Г0—179 145
где М — количество металла электродов, которое растворяется при электролизе, кг: M = yk3fa6iia; D.37) здесь y — плотность металла электродов, кг/м3; k3 — коэффициент использования материала электродов, равный 0,8—0,9; Qc1t — суточный расход сточных вод, м3/сут. Биологическая и химическая флотация применяется для уплотнения осадков сточных вод. В процессе флотации сточных, вод образуется пена, имеющая различное строение, обычно пленочно-структурное. Такая пена содержит значительное количество воды, особенно в нижних слоях, а устойчивость и подвижность ее изменяются в зависимости от количества и характера флотируемых материалов. Процесс уплотнения всплывшего шлама наиболее интенсивно идет в первые 2 ч, далее он замедляется, а после 4 ч практически прекращается. На основании анализа графиков уплотнения пенного шлама различных по составу сточных вод были выведены общие закономерности его уплотнения. Если за единицу принять объем шлама к моменту, когда все пузырьки воздуха поднялись в пенный-слой, что в проточных установках соответствует продолжительности флотации 30 мин, то относительный объем шлама через 1, 2, 3 и 4 ч уплотнения составит соответственно 0,6; 0,33; 0,24 и 0,21. Процесс уплотнения и разрушения пенного слоя может быть интенсифицирован с помощью брызгалок или путем нагревания. В большинстве случаев утилизация пенного конденсата экономически нецелесообразна. § 22. ЭКСТРАКЦИЯ При относительно высоком содержании в производственных сточных водах растворенных органических веществ, представляющих техническую ценность (например, фенолы и жирные кислоты), эффективным методом очистки является экстракция органическими растворителями — экстрагентами. Экстракционный метод очистки производственных сточных вод основан на распределении загрязняющего вещества в смеси двух взаимонерастворимых жидкостей соответственно его растворимости в них. Отношение взаимно уравновешивающихся концентраций в двух несмешивающихся (или слабосмешивающихся) растворителях при достижении равновесия является постоянным и называется коэффициентом распределения kp = СЭ/Сстх const, D.38) где С3, Сст — концентрация экстрагируемого вещества соответственно в экстрагенте и сточной воде при установившемся равновесии, кг/м3. Коэффициент распределения kv зависит от температуры, при которой проводится экстракция, а также от наличия различных примесей в сточных водах и экстрагенте (табл. 4.3). После достижения равновесия концентрация экстрагируемого вещества в экстрагенте значительно выше, чем в сточной воде. Сконцентрированное в экстрагенте вещество отделяется от растворителя и может быть утилизировано. Экстрагент после этого вновь используется в технологическом процессе очистки. Метод экстракционной очистки экономически целесообразен при значительной концентрации органических примесей или при высокой стоимости извлекаемого вещества. Для большинства продуктов применение экстракции рационально при концентрации их 2 г/л и более. Для успешного протекания процесса экстракции экстрагент должен иметь следующие свойства: хорошую экстрагирующую способность по отношению к экстрагируемому веществу, т. е. высокий коэффициент распределения; селективность, т.е. способность экстрагировать из воды одно вещество или определенную их группу; малую растворимость в воде; плотность, отличающуюся от плотности воды; температуру кипения, 146
?) ч 1 2 1 1 з 1 I —г L 3 1 1 \ і 1 Г* і і і, 4 1 ¦1 3 Рис. 4.16. Схемы процесса многоступенчатой экстракции / — подача сточнбй воды; 2, 3, 4 — экстракционные установки соответственно I, II и III ступени; 5 — подача чистого экстрагента; в — выпуск обработанной сточной воды; 7 — отвод отработанного зкетраіента (экстракта); 8 — отстойники (или сепараторы) а) 2 f значительно отличающуюся от температуры кипения экстрагируемого вещества; небольшую удельную теплоту испарения и малую теплоемкость, что позволяет снизить расходы пара и охлаждающей воды; возможно меньшие огне- и взрывоопасность, токсичность; низкую стоимость. Экстрагент не должен подвергаться заметному гидролизу и взаимодействовать с экстрагируемым веществом, материалом трубопроводов и запорно-регулн- рующей арматуры экстракционной установки. Методы экстрагирования органических веществ по схемам контакта можно разделить на перекрестноточные, б) * _ 1 2 I u-, непрерывной Рис. 4.17. Схемы процесса экстракции 7, 2 —подача соответственно зкстрагента и сточной воды; 3, 4 — отвод соответственно отработанного екстрагента н обработанной сточной воды экстрагекта и сточной воды ступенчато-противоточные и непрерывно-противоточные. Прямоток в процессах экстракции не применяется. При многоступенчатой перекрестноточной схеме (рис. 4.16, а) сточная вода на каждой ступени конктактнрует со свежим экстрагентом, что требует значительных его расходов. Практическое применение получили методы ступенчато-противоточ- ной и непрерывно-противоточнои экстракции. При ступенчато-противоточной экстракции (рис. 4.16,6) каждая сту- ТАБЛИЦА 4.3. ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ * р ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ МЕЖДУ ЭКСТРАГЕНТАМИ И ВОДОЙ ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ 25 °С Экстрагируемое из воды вещество Анилин Бензойная кислота Муравьиный альдегид Пикриновая кислота Пиридин Экстр агент Бутилацетат Толуол Диэтиловый эфир Бутилацетат Толуол Амиловый спирт Толуол Бензол Хлороформ Толуол 1 *Р 27 8—19 71-91 30 6-12 3 1,7-8,7 0,7-5,3 1,2-2,6 1,4-9,3 Экс трагируемое нз воды вещество Салициловая кислота га-толуидин Фенол Хлоруксусная кислота Экстрагент Ацетон Толуол Бензол Хлороформ Бензол Бутилацетат Амиловый спирт Толуол Бензол Хлороформ Амиловый спирт 126 1,7—2,5 1,7 4,5 2,9—4,3 51-60 51 14—16 1,7 9,4 2,3-12,5 3,4—12,5 3,6 10« 147
пень включает перемешивающее устройство для смешения фаз и отстойник для их гравитационного разделения. Могут применяться также центробежные сепараторы, обладающие более высокой разделительной способностью по сравнению с гравитационными. Вода и экстрагент движутся навстречу друг другу, экстракт последующей ступени смешивается в смесителе с водной фазой предыдущей ступени. Смеситель должен обеспечить максимальную степень диспергирования экстракта в воде, исключающую, однако, возможность образования стойких эмульсий, которые препятствуют разделению фаз. Конечная концентрация экстрагируемого вещества в воде может быть определена по формуле С„ = Сн/A + bkp)" , D.39) где С« и Сн—соответственно конечная и начальная концентрация экстрагируемого вещества в воде, кг/м3; п — число экстракций; Ь — удельный расход экстрагента для одной экстракции, м3/м3, равный: b W/(Q); D,40) здесь W — общий объем экстрагента, затрачиваемого на экстракцию, м3; Q — количество сточных вод, подвергающихся экстракции, м3. Анализируя уравнение D.39), можно сделать вывод о большой эффективности многократной экстракции. Ступенчато-противоточная экстракция может быть непрерывной или периодической (при малых расходах сточных вод). При непрерывно-противоточной экстракции вода и экстрагент Движутся навстречу друг другу в одном аппарате, обеспечивающем диспергирование экстрагента в воде; при этом примеси сточной воды непрерывно переходят в экстрагент. Если плотность обрабатываемой сточной воды больше плотности экстрагента 7ст>7э, то вода вводится в экстракционную колонну сверху, а экстрагент снизу (рис. 4.17, а). При 7з>7ст экстрагент вводится в верхнюю часть колонны, а обрабатываемая сточная вода в нижнюю (рис. 4.17,6). Для определения концентрации экстрагируемого вещества в обработанной сточной воде при непрерывной экстракции можно воспользоваться формулой CK = (l-Wp)C„. D.41) Требуемый удельный расход экстрагента при заданных начальной и конечной концентрациях экстрагируемого вещества в сточной воде определяется по формуле Ь= С1~Ск ¦ D.42) Применение противоточных экстракционных колонн непрерывного действия целесообразно при многоступенчатой экстракции. Эффективность метода зависит от того, насколько легко образуются и разрушаются эмульсии экстрагента в сточной воде, от длительности полного разделения фаз и кинетики экстрагирования. Технологическая схема очистки производственных сточных вод экстракционным методом зависит от количества и состава сточных вод, свойств экстрагента, способов его регенерации и обычно включает следующие четыре установки: 1) подготовки воды перед экстракцией — отстойники, флотаторы, фильтры, нейтрализаторы, охладительные устройства; 2) экстракции — колонны для улавливания паров экстрагента, собственно экстракционная колонна и резервуары (сборники экстрагента). Конструкция экстракционных колонн зависит от способа контакта сточной воды и экстрагента. Существуют колонны без какой-либо насадки — распылительные, инжекторные. Часто применяются насадочные колонны, где в качестве насадки применяются блочные конструкции из керамики, металла, пластических масс, а также засыпные элементы, выполненные из керамики, металла (кольца Рашига, кольца Палля, седла 148
Бёрля и др.). Для повышения интенсивности и эффективности перемешивания применяют тарельчатые колонны, колонны с пульсацией потоков пли с движущимися сетчатыми тарелками. Экстракционные колонны имеют значительную высоту для обеспечения необходимой продолжительности контакта. В распылительной и насадочной колоннах, а также в колонне с движущимися сетчатыми тарелками высота, эквивалентная одной ступени экстракции, соответственно равна 10, 6 и 0,8 м. Выбор типа колонны определяется необходимым числом ступеней экстракции и допустимыми затратами энергии; 3) регенерации экстрагента из сточной воды. Отгонка экстрагента обычно осуществляется в насадочной колонне, в которую сверху подается обработанная сточная вода, а снизу — острый пар. Регенерация в зависимости от свойств экстрагента и его товарной стоимости может осуществляться отдувкой воздухом или другими газами, а также ре- экстракцией; 4) регенерации экстрагента из экстракта — теплообменник, подогреватель, одно- или двухступенчатая регенерационная (ректификационная) колонна, охлаждающие устройства, сепараторы, сборники регенерированного экстракта и экстрагируемых веществ. Наиболее широко методы экстракции применяют для очистки сточных вод предприятий по термической переработке твердых топлив (каменного и бурого углей, сланцев, торфа), содержащих значительное количество фенолов. Утилизация извлекаемых из сточных вод фенолов позволяет не только покрыть расходы на их извлечение, но и при начальной концентрации фенолов выше 3—4 г/л обеспечивает рентабельность их очистки. Эффективность извлечения фенолов из сточных вод достигает 80—97 %. § 23. ИОННЫЙ ОБМЕН Гетерогенный ионный обмен, или ионнообменная сорбция — процесс обмена между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности твердой фазы — ионита. Очистка производственных сточных вод методом ионного обмена позволяет извлекать и утилизировать ценные примеси (соединения мышьяка, фосфора, а также хром, цинк, свинец, медь, ртуть и другие металлы), ПАВ и радиоактивные вещества, очищать сточную воду до предельно допустимых концентраций с последующим ее использованием в технологических процессах или в системах оборотного водоснабжения. По знаку заряда обменивающихся ионов иониты делят на катиониты и аниониты, проявляющие соответственно кислотные и основные свойства. Иониты подразделяются на природные и искусственные, или синтетические. Практическое значение имеют неорганические природные и искусственные алюмосиликаты, гидроокиси и соли многовалентных металлов; применяются также иониты, полученные химической обработкой угля, целлюлозы и лигнина. Однако ведущая роль принадлежит синтетическим органическим ио- нитам — ионообменным смолам. Различают следующие виды ионитов: 1) сильнокислотные катиониты, содержащие сульфогруппы SO3H и сильнооенбвные анионы, содержащие четвертичные аммониевые основания; 2) слабокислотные катиониты, содержащие карбоксильные СООН и фенольные группы, диссоциирующие при рН>7, а также слабооснов- ные аниониты, содержащие первичные NH2 и вторичные NH аминогруппы, диссоциирующие при рН<7; 3) иониты смешанного типа, проявляющие свойства смеси сильных и слабых кислот или оснований. 149
Важнейшим свойством ионитов является их поглотительная способность, так называемая обменная емкость. Полная емкость ионита— количество находящихся в сточной воде грамм-эквивалентов ионов, которое может поглотить 1 м3 ионита до полного насыщения. Рабочая емкость ионита — количество находящихся в воде грамм-эквивалентов ионов, которое может поглотить 1 м3 ионита до начала проскока в фильтрат поглощаемых ионов. При соприкосновении ионитов с водой происходит их набухание вследствие осмотических явлений; объем ионитов обычно увеличивается в 1,2—2 раза. На кинетику ионного обмена влияют также величина температуры, концентрация ионов и др. Характерной особенностью ионитов является их обратимость, т.е. возможность проведения реакции в обратном направлении, что и лежит в основе их регенерации. В табл. 4.4 приведены основные характеристики некоторых отечественных катионитов и анионитов, применяемых при обработке сточных вод. ТАБЛИЦА 4.4. ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕКОТОРЫХ ИОНИТОВ Ионигы Катиониты Сульфоуголь СМ-1 Сульфоуголь СК-1 Катионит КУ-1 Катионит КУ-2 Аниониты АН-2ФН АН-18-8 АВ-17-8 Размер зерен, мм 0,3—0,8 0,5—1,1 0,3—1,5 0,3—1 0,3—1,6 0,3—1,6 0,2—0,8 Обменная емкость, г-экв/м' прн Н-катиони- ровании 250 200 300 800 — при Na-катио- нироваиин 400 350 300 800 — по SO2" — 700 1000 800 Если катиониты находятся в Н- или Na-форме, обмен катионов будет проходить по реакциям: Ме+ + Н [К\ Z Me [К] + Н+; Ме+ + Na [К] Z Me [KJ + Na+, где Ме+ — катион, находящийся в сточной воде; [К]—сложный комплекс катионита. Сильнокислотные катиониты позволяют осуществлять процесс ионного обмена при любых значениях pH, а слабокислотные — при рН^7. Регенерация катионитов осуществляется промывкой кислотой (при Н-катионите) или раствором хлористого натрия (при Na-катионите): 2Ме [К] + H2SO4^2H[K1 + Me2SCy, Me [Щ + NaClJNa [К] + MeCl. Поскольку в сточных водах, как правило, содержится несколько катионов, большое значение имеет селективность их поглощения. Для каждого вида катионита установлены ряды катионов по энергии их вытеснения. Например, для катионита КУ-2 Н+ < Na+ <5 NH+ < Mg2+ < Zn2+ < Со2+ < Cu2+ < Cd2+ < Ni2+ < < Ca?+ < Sr?+ < Pb=+ < Ba2+. Слабооснбвные аниониты поглощают анионы сильных кислот 2 IAJOH + H2SO4irA]2SO4 + 2Н2О, где [А] — сложный органический комплекс анионита. Для большинства анионов справедлив следующий ряд по поглощающей способности: SO^C1 150
'16 7 7 Рис. 4.18. Схема ионообменной очистки сточных вод производства хлоранилина /, // —подача соответственно сточноіі и свежей воды: Ш, /V —выпуск соответственна обработанной сточной воды и продукта; / — резервуар сточной воды; 2, 8 — мерннки; 3 — фильтр; 4, 13 — емкости для соляной кислоты; 5 — емкость для известкового молока; 6 — дозатор; 7 — ионообменные колонны; 9 — ректификационная колонна; 10 — отстойник-разделитель; //. 14, 15, 16 — насоаы; 12 — приемник Регенерация слабоосновных анионитов достигается фильтрованием через слой анионита 2—4 %-ных водных растворов NaOH, Na2CO3 или NH4OH: [A]2SO4 + 2NaOH^:2 [A]OH + Na2SO4. Процессы ионообменной очистки сточных вод осуществляются в аппаратах периодического (фильтрах) или непрерывного действия. Фильтр периодического действия представляет собой закрытый цилиндрический резервуар с расположенным у днища щелевым дренажным устройством, обеспечивающим равномерное отведение воды по всему сечению фильтра, высота слоя загрузки ионита 1,5—2,8 м. Фильтр может работать по параллельно-точной схеме (при подаче сточной воды и регенерирующего раствора сверху) и по противоточной схеме (сточная вода подается снизу, а регенерирующий раствор— сверху). На продолжительность фнльтроцикла большое влияние оказывает содержание взвешенных веществ, поэтому перед подачей воды в ионообменную установку следует обеспечить максимальное их удаление. При фильтровании сточной воды через неподвижный слой ионита со скоростью до 10 м/ч расчет фильтра производится на основании материального баланса. В качестве примера на рис. 4.18 приведена технологическая схема ионообменной очистки сточных вод производства хлоранилина от смесей анилина с хлоранилином. Необработанная сточная вода поступает в резервуар, куда дозируется из мерников 2 соляная кислота для снижения рН^4-М,5. Подкисленная сточная вода насосом 16 подается на фильтр, где отделяется от выпавших при подкислении взвешенных веществ. Фильтрат поступает в блок последовательно расположенных ионообменных колонн с общей высотой слоя катионита КУ-2 не менее 3 м; скорость фильтрования около 2 м3/(м2-ч). Обычно две колонны работают в режиме ионного обмена, а одна регенерируется. Регенера- ционный аммиачно-метанольный раствор насосом 14 из мерника 8 подается в регенерируемую колонну снизу вверх. Подогретая до 35—40 °С вода для промывки отрегенернрованной колонны поступает в нее через тот же мерник. Из колонны отработанный регенерационный раствор выпускается в приемник, откуда насосом 11 подается в ректификационную колонну 151
для отгонки метанола и аммиака. Кубовый остаток из этой колонны направляется в отстойник — разделитель фаз: водный слой направляется в сборник, а слой сырых аминов на разгонку и утилизацию. После регенерации водно-метанольным раствором аммиака катионит для перевода в водородную форму промывают 8—10%-ным раствором соляной кислоты, поступающим из емкости 4. Кислота, вытекающая из колонны, собирается в емкость 13 и насосом 15 подается в мерники 2 для регулирования pH сточной воды. Туда же направляются промывные воды. Обработанная сточная вода имеет слабокислую реакцию и должна перед сбросом нейтрализоваться известковым раствором. При очистке сточных вод, загрязненных взвешенными веществами, применяют ионообменные колонны с псевдоожиженным слоем ионита. Для определения основных параметров установки подсчитывают суммарную площадь сечения ионообменных колонн 5общ, м2, по расходу сточных вод Q, м3/ч, и оптимальной скорости фильтрования через псев- доожиженный слой ионита уопт, м3/(м2-ч): 50бщ = Q/Чшт- <4-43) Общее количество ионов, которое должно быть задержано в ионообменной колонне за 1 ч, зависит от их начальной Сн и конечной Ск концентраций, кг-экв/м3, и равно Q(Ca—Ск). Для поглощения этого количества ионов необходимо подать определенное количество воздушно-сухого ионнта с динамической емкостью ?д, кг-экв/т: Л1Ч = (?(СН-С„)/?Д, D.44) где Мч — требуемое количество воздушно-сухого ионита, т/ч. Если продолжительность рабочего цикла ионообменных колонн между двумя регенерациями равна t, ч, то общая их загрузка Л4Общ> т, MQOai = M4t. D.45) Объем загрузки ионообменных колонн до образования псевдоожи- женного слоя W\, м3, И\ = Л40бщ/</ш D.46) где da — насыпная плотность ионита, т/м3. Поскольку суммарная площадь ионообменных колонн определяется оптимальной скоростью фильтрования, то высота набухшего слоя нони- та Н\, м, до псевдоожижения составит tfi = nVSo6ui. D.47) Так как оптимальное отношение высоты псевдоожиженного слоя к высоте неподвижного слоя #2/#i —1,5, то величину #2, м, определяют ни формуле Н2 = 1,5ftVSo6m- D-48> Пслк задаться диаметром ионообменной колонны DK. то число колоны «к=45о6щ/(я^). D.49) Далее подсчитываем объем регенерационных растворов и емкостей для них. Процесс регенерации ионитов состоит из трех стадий: взрыхления ионита, собственно регенерации и отмывки ионита от продуктов регенерации и избытка регенерирующего вещества. Объем промывных вод обычно составляет 75—100 % объема регенерационных растворов. В аппаратах непрерывного действия ионит движется по замкнутому коніуру, последовательно проходя стадии сорбции, регенерации и про- мывкн. На рис. 4.19 приведена схема аппарата непрерывного действия конструкции Института коллоидной химии и химии воды (ИКХХВ) АН УССР. Аппарат состоит из ионообменной емкости, выполненной в виде усе- 152
ченного конуса. Внутри этого конуса находится второй усеченный конус, где происходят процессы регенерации и отмывки. Сточная вода подается в колонну через трубу с коническими насадками. Пройдя через псевдоожиженный слой ионита, обработанная вода выходит из верхней части колонны. Отработанный ионит осаждается в нижней части колонны, откуда через трубчатое устройство с помощью эрлифта или эжектора подается в верхнюю часть колонны. Во внутреннем полом усеченном конусе скорость движения потока воды уменьшают с помощью регулятора, что способствует вовлечению отработанного ионита в этот конус и последующему осаждению его в нижней части ионообменной колонны. Регенерационный раствор подается в нижнюю часть внутреннего усеченного ронуса, а отводится из верхней части. Регенерированный ионит, продолжая опускаться навстречу восходящему потоку воды, промывается и переходит в рабочую зону колонны. Аппарат прост в конструктивном исполнении н эффективен в работе. Метод ионного обмена применяется для очистки сточных вод предприятий металлургической, химической, коксохимической, машиностроительной и других отраслей промышленности. § 24. ЭЛЕКТРОДИАЛИЗ И ПРОЧИЕ МЕТОДЫ Электродиализ — процесс сепарации ионов солей, осуществляемый в мембранном аппарате под действием постоянного электрического тока, применяемый для опреснения высокоминерализованных сточных вод. Электродиализатор разделен чередующимися катионитовыми и анио- нитовыми мембранами, образующими концентрирующие (рассольные) ТАБЛИЦА 4.5. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ИОНИТОВЫХ МЕМБРАН Рис. 4.19. Ионообменный аппарат непрерывного действия / — подача воды; 2, 3 — устройство соответственно для транспортирования и отбора ионита; 4 — подача сточной воды; 5 — регулятор скорости движения потока воды в регенераторе: 6 — подача регеиерацнонного раствора; 7 — внутренний корпус лля регенерации ионита; 8 — отвод послерегенеоациониого раствора; 9 — ионообменная колонна; 10 — воронка для приема отработанного ионнта; И — выпуск обработанной сточной воды Марка Толщина, мм Иіиообмен- цая емкость, мг-экв/г Селективность в 0,1 н растворе NbCI Электрическое сопротивление, Ом/сма удельное поверхностное Прочность на рвзрыв, МПа Анноннтовые мембраны МК-40 МК-100 К-2 РМК-10 МА-40 МА-100 А-4 РМА 0 ,5-0,7 0,3 0,6 0,1 3^-4,4 2—2,3 3,5 5 0, 0, 4—0 0,3 6—0 0,3 ,7 ,7 0,94 0,97 0,93 0,96 200—250 150—180 104 Катионитовые мембраны 2,3—2,5 2,5—2,8 2 1.9 0.96 0,97 0,96 0,86 180—203 120—150 208 12—17 3,5—6 9,8—16,2 2,4—5 12—13 12—14 12—15 12—15 13 153
Рис. 4.20. Схема процесса электродиализа (цифры в кружках — номера камер) А — анноннтовые мембраны; К — катионнтоаые мембраны; / — выход газообразного водорода; 2 - подача сточной воды; 3 — выход газообразных кислорода и хлора; 4 — выпуск обессоленной воды, 5 — выпуск концентрированного рассола л?.. \ і \ і \ і V - Л \ Рис, 4.21. Схема циркуляционной электродиализной установки непрерывного действия / — подача сточной воды; 2 — рабочие баки; .3 — бак для рассола; 4 — выпуск рассола; 5 — выпуск дилюата; 6 — олектродиали'.атор; 7 — подача рециркуляционного рассола; 8 — насосы; 9 — подача смеси рециркуляционной н сточной воды. /0 — выпуск рассола н± электродиализа- тора; 11 — выпуск обессоленной воды и обессоливающие (днлюатные) камеры. Под воздействием постоянного тока катионы, двигаясь к катоду («—»), проникают через катионитовые мембраны, но задерживаются анионитовыми, а анионы, двигаясь в направлении анода («-+-»), проходят через анионитовые мембраны, но задерживаются катионитовыми. В результате этого из одного ряда камер (например, четных) ионы обоих знаков выводятся в смежный ряд камер (рис. 4.20). . Мембраны для электродиализатора изготовляют в виде гибких листов прямоугольной формы или рулонов из термопластичного полимерного связующего и порошка ионообменных смол. В табл. 4,5 приведены основные свойства иониговых мембран, выпускаемых отечественной промышленностью. Электродиализные аппараты применяются двух типов: прокладочные и лабиринтные. Электродиализаторы прокладочного типа (ЭДУ-50, ЭХО-М-5000Х200, «Родник-3») имеют горизонтальную ось электрического поля; их пропускная способность 2—20 м3/ч. Электродиализаторы лабиринтного типа (Э-400М, ЭДУ-2, ЭДУ-1000, АЭ-25) имеют вертикальную ось электрического поля; их пропускная способность 1—25 м3/ч. Оптимальная область применения электродиализаторов — ПрИ концентрации солей в сточной воде 3—8 г/л. Во всех конструкциях электродиализаторов в основном применяют электроды, изготовленные из платинированного титана. Для эффективной работы аппаратов большое значение имеет промывка приэлектродных камер, что предохраняет крайние мембраны от разрушения продуктами электролиза. 154
Технологические схемы электродиализных установок (ЭДУ) состоят из следующих узлов: 1) аппаратов предварительной подготовки исходной воды; 2) собственно электродиализной установки; 3) кислотного хозяйства и системы сжатого воздуха; 4) фильтров, загруженных активированным углем БАУ или АГ-3, и бактерицидных установок. Технологические схемы бывают следующих типов. 1. Прямоточные ЭДУ, в которых сточная вода последовательно или параллельно проходит через аппараты установки и солесодержание воды снижается от исходного до заданного за один проход. 2. Циркуляционные (порционные) ЭДУ, в которых определенный объем частично обессоленной воды из бака дилюата перекачивается через мембранный электродиализный аппарат обратно в бак до тех пор, пока не будет достигнута необходимая степень обессоливания. 3. Циркуляционные ЭДУ непрерывного действия (рис. 4.21), в которых часть сточной воды непрерывно смешивается с частью не полностью обессоленной воды (дилюата), проходит через электродиализатор и подается потребителю или в резервуар очищенной воды. 4. ЭДУ с аппаратами, имеющими последовательную гидравлическую систему движения потоков в рабочих камерах. Каждая из указанных выше технологических схем имеет определенные преимущества и недостатки, и их выбор производится на основании технико-экономических расчетов. Исходными параметрами для расчета являются: конкретные местные условия, пропускная способность ЭДУ, солесодержание и состав обрабатываемых сточных вод. Например, лри суточном расходе более 300—500 м3 сточных вод считается рациональным применение технологических схем прямоточного типа. Прочие методы Наряду с методами очистки производственных сточных вод, рассмотренными в настоящей главе, находят применение также и другие методы физико-химической очистки, такие как эвапорация, кристаллизация, выпаривание, испарение, гиперфильтрация, ультрафильтрация, ректификация, термическая и магнитная обработка и др. Поскольку эти методы распространены значительно реже, остановимся на них лишь вкратце.. Обратный осмос (гиперфильтрация) — непрерывный процесс молекулярного разделения растворов путем их фильтрования под давлением через полупроницаемые мембраны, задерживающие полностью или частично молекулы либо ионы растворенного вещества. При приложении давления выше осмотического (равновесного) осуществляется перенос растворителя в обратном направлении (от раствора к чистому растворителю через мембрану) и обеспечивается достаточная селективность очистки. Необходимое давление, превышающее осмотическое давление растворенного вещества в растворе, составляет при концентрации солей 2—5 г/л 0,1—1 МПа и при концентрации солей 20—30 г/л — 5—10 МПа. Ультрафильтрация — мембранный процесс разделения растворов, осмотическое давление которых мало. Этот метод используется при отделении сравнительно высокомолекулярных веществ, взвешенных частиц, коллоидов. Ультрафильтрация по сравнению с обратным осмосом— более высокопроизводительный процесс, так как высокая проницаемость мембран достигается при давлении 0,2—1 МПа. Очистка сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной, химической, нефтехимической и других отраслей промышленности гиперфильтрационным и ультрафильтрационным методами имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами очистки: невысокие энергозатраты, простота и компактность установок, возможность полной их автоматизации, высокая эффективность очистки, возможность повторного использования фильтрата и утилизации полученного концентрата. Не- 155
достатком метода является необходимость проведения процесса при высоком давлении в системе. В настоящее время применяются различные типы гиперфильтрационных и ультрафильтрационных аппаратов, отличающихся способом размещения мембран: 1) аппараты типа «Фильтр-пресс» с плоскокамерными фильтрующими элементами, имеющими удельную площадь поверхности мембран 60—300 м2 на 1 м3 объема аппарата; 2) аппараты с трубчатыми фильтрующими элементами, имеющими удельную площадь поверхности мембран 100—200 м2/м3; 3) аппараты с фильтрующими элементами рулонного или спирального типа с удельной площадью поверхности мембран 300—800 м2/м3; 4) аппараты с мембранами из полых волокон малого диаметра D5— 200 мкм), имеющими удельную площадь поверхности до 20 000 м2/м3; волокна из ацетатцеллюлозы или нейлона, собираются в пучки длиной 2—3 м и располагаются в аппарате линейно или U-образно. Производительность таких аппаратов 5—1000 м3/сут. Основным элементом осмотических аппаратов являются мембраны, которые должны обладать высокой проницаемостью и селективностью, механической прочностью и низкой стоимостью. В СССР применяются мембраны ацетатцеллюлозного типа марок МГА (для гиперфильтрационных аппаратов) и УАМ (для ультрафильтрационных аппаратов). Производительность этих мембран 30—2400 л/(м2-сут); селективность 80—97%; крупность пор гиперфильтрационных мембран около 0,001 мкм и ультрафильтрационных 0,005—0,2 мкм. Схемы работы гиперфильтрационных аппаратов в зависимости от состава сточных вод, необходимой степени их очистки, а также производительности аппаратов могут быть одно- и многоступенчатый. Эвапорация. Среди эвапорационных методов очистки производственных сточных вод наиболее широкое распространение получили пароцир- куляционный метод и азеотропная ректификация. Пароциркуляционный метод, применяемый для удаления из сточных вод летучих веществ — фенолов, крезолов, ксиленолов, нафтолов и др., основан на отгонке загрязнений с циркулирующим водяным паром и на последующей его отмывке от загрязнений раствором щелочи. При нейтрализации щелочного раствора загрязнения выделяются из него и могут быть отделены от водного слоя отстаиванием. Отгонка осуществляется в периодически действующих аппаратах или в непрерывно действующих дистилляционных колоннах. При движении через колонну с насадкой навстречу острому пару сточная жидкость нагревается до 100 °С; находящиеся в ней летучие примеси частично переходят в паровую фазу. Основные размеры эвапорационных колонн: диаметр 0,8—3 м; высота насадки 6—12 м; отношение высоты колонны к ее диаметру не более 5—10. Плотность орошения 1—2 м3/(м2-ч), расход пара 0,5—1,5 кг/кг, производительность колонны 20—200 м3/сут. Азеотропная ректификация основана на свойстве многих химических соединений образовывать а'зеотропные, нераздельнокипящие смеси с водой. Сточная вода нз емкости направляется в колонну, обогреваемую паром, где отгоняется часть воды в виде азеотропной смеси с загрязняющим компонентом. Из нижней части колонны выходит очищенная вода. Пары, выходящие через верх колонны, поступают в конденсатор. Конденсат после дополнительного охлаждения направляется в сепаратор, где разделяется на два слоя — водный и органический. Водный слой из сепаратора сбрасывается в емкость исходной сточной воды, а загрязняющий компонент поступает на дальнейшую переработку или на повторное использование. Эвапорационные методы применяют для очистки сточных вод коксохимических и химических заводов, заводов^синтетического каучука и др. 156
Выпаривание сточных вод применяют для увеличения концентрации солей, содержащихся в сточных водах, и ускорения их последующей кристаллизации, а также для обезвреживания небольших количеств высококонцентрированных сточных вод (например, радиоактивных). Выпаривание может быть "простым, а также одно- и многоступенчатым под вакуумом. Простое выпаривание производят в открытых резервуарах, в которых сточная вода с помощью пара низкого давления нагревается до 100 °С, что вызывает большой расход теплоты. При выпаривании под вакуумом можно значительно снизить температуру кипения раствора и, следовательно, использовать в качестве источника теплоты отработанный пар, однако вакуумные выпарные установки более сложны в аппаратурном оформлении, а также при эксплуатации. Испарение в отличие от выпаривания осуществляется с открытой поверхности жидкости и происходит практически при любой температуре. Площадь испарительных площадок рассчитывается в зависимости от климатических и грунтовых условий. Кристаллизация основана на различной растворимости содержащихся в сточной воде веществ, зависящей не только от их вида, но и от температуры растворителя. При изменении температуры сточных вод получаются пересыщенные растворы находящихся в них веществ, а затем их кристаллы. На этом принципе основан метод выделения из сточной воды кристаллов загрязняющего ее вещества, образующихся при естественном или искусственном ускорении испарения жидкости. Кристаллизация применяется при обработке небольших количеств концентрированных сточных вод. Кристаллизаторы бывают периодического действия с естественным охлаждением за счет испарения воды, периодического действия с перемешиванием и искусственным охлаждением,и непрерывного действия. Термоокислительные методы обезвреживания сточных вод — паро- фазное окисление («огневой» метод), жидкофазное окисление («мокрое» сжигание), а также парофазное каталитическое окисление. Сущность «огневого» метода заключается в том, что сточная вода, вводимая в распыленном состоянии в высокотемпературные (900— 1000 °С) продукты горения топлива, испаряется, органические примеси сточной воды сгорают, образуя продукты полного сгорания. Минеральные примеси при этом образуют твердые или расплавленные частицы, которые выводятся из рабочей камеры печи или уносятся с дымовыми газами. Сущность термоокислительного жидкофазного обезвреживания состоит в окислении кислородом воздуха органических примесей сточной воды, находящихся в жидкой фазе при повышенных температуре (до 350 °С) и давлении. Термокаталитическое окисление применяется при очистке сточных вод, загрязненных летучими органическими веществами. По этому методу сточная вода подается в выпарной аппарат, где пары воды и органических веществ, а также газы и воздух подогреваются до 300 °С, а затем смесь подается в контактный аппарат, загруженный катализатором. Обезвреженная парогазовая смесь охлаждается, и образующийся конденсат используется в производстве. Следует отметить, что термоокислительные методы очистки применяются при небольших расходах высококонцентрированных сточных вод. Магнитная обработка находит применение при очистке сточных вод металлургической промышленности от ферромагнитных механических примесей, а также в системах оборотного водоснабжения для предупреждения накипеобразования в теплообменных аппаратах. 167
ГЛАВА 5. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД Биологическое окисление — широко применяемый на практике метод очистки производственных сточных вод, позволяющий очистить их от многих органических примесей. Процесс зтот, по своей сущности, природный, и его характер одинаков для процессов, протекающих в водоеме, очистном сооружении, склянке для определения БПК, респирометре и т. п. Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших и ряд более высокоорганизованных организмов— водорослей, грибов и т. д., связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма). Главенствующая роль в зтом сообществе принадлежит бактериям, число которых варьирует от 106 до 10й клеток на 1 г сухой биологической массы (биомассы). Число родов бактерий может достигать 5—10, число видов — нескольких десятков и даже сотен. Такое разнообразие видов бактерий обусловлено наличием в очищаемой воде органических веществ различных классов. Если же в составе сточных вод присутствует лишь один или несколько близких по составу источников органического углерода, т. е. один или несколько близких гомологов органического соединения, то возможно развитие монокультуры бактерий. Сообщество микроорганизмов представлено одними бактериями в том случае, если очистку проводят в анаэробных условиях (в отсутствии растворенного в воде кислорода) или при слишком неблагоприятном уровне питания, который представляет собой отношение количества органических веществ к числу микроорганизмов. Неблагоприятным уровнем питания может оказаться, например, слишком высокое соотношение количеств подаваемых на очистку загрязнений и биомассы микроорганизмов. Если очистку проводят в анаэробных условиях (в присутствии растворенного кислорода), то при благоприятной обстановке в сообществе микроорганизмов развиваются простейшие, представленные числом видов от 1 до 15—30. Среди бактерий в очистных сооружениях сосуществуют гетеротрофы и автотрофы, причем перимущественное развитие та пли иная группа получает в зависимости от условий работы системы. Эти две группы бактерий различаются по своему отношению к источнику углеродного питания. Гетеротрофы используют в качестве источника углерода готовые органические вещества и перерабатывают их для получения энергии и биосинтеза клетки. Автотрофные организмы потребляют для синтеза клетки неорганический углерод, а энергию получают за счет фотосинтеза, используя энергию света, либо хемосинтеза путем окисления некоторых неорганических соединений (например, аммиака, нитритов, солей двухвалентного железа, сероводорода, элементарной серы и др.). Механизм биологического окисления в аэробных условиях гетеротрофными бактериями может быть представлен следующей схемой: органические вещества + О2+Ы + Р-ичикроорганизмы , -f-биологически неокисляемые растворенные вещества; E.1) микроорганизмы +O2-*-CO2+H;:O + N + P + + биологически неразрушаемая часть клеточного вещества. E.2) Реакция E.1) символизирует окисление исходных органических загрязнений сточных вод и образование повой биомассы. В очищенных сточных водах остаются биологически неокисляемые вещества, преимущественно в растворенном состоянии, так как коллоидные и нераство- ренные вещества удаляются из сточной воды методом сорбции. Процесс эндогенного окисления клеточного вещества, который происходит после использования внешнего источника питания, описывает реакция E.2). 158
Примером окисления автотрофами может быть процесс нитрификации 55NH+ + 5СО2 + 76O2~>C5H7NO2 + 54NO~ -f 52Н2О + 109Н+; E.3) 400NO7 + 5СО2 + NHt + 195О2 + 2Н2 0->C5H7N02 + 400NO7 + Н+, E.4) где C5H7NO2 — символ состава органического вещества образующихся клеток микроорганизмов. Реакцию E.3) осуществляют бактерии рода Nitrosomonas, при этом они переводят азот аммонийных солей в азот нитритов, а реакцию E.4) — окисление азота нитритов в азот нитратов проводят бактерии рода Nitrobacter. Анаэробный процесс метановой ферментации проходит по следующей- схеме: органические вещества + Н2О->-СН4 + СО2 + С.Н?МО2 + Ш^ + НСО~ . E.5) Анаэробный процесс денитрификацин происходит в две стадии: NOg" + органические вещества ->N07 + СО2 + Н2О; E.6) N07 + органические вещества ~> N + С0„ + НО + ОН"". E.7) Если процесс денитрификации проводят с биологически очищенной водой, практически лишенной исходных органических веществ, то в качестве углеродного питания применяют относительно недорогой метило* вый спирт. В этом случае суммарная реакция денптрмфикации может быть записана следующим образом: 6NO3~ + 5H3COH->3N,+ 5COS + 7Н2О + 60Н". E.8) Перечисленные схемы процессов далеко не исчерпывают всех возмож- ностей биологического окисления (биоокисления), но именно они наиболее часто встречаются в практике очистки городских и производственных сточных вод. Все показанные здесь ферментативные реакции осуществляются внутри клетки, для чего необходимые элементы питання должны попадать в ее тело сквозь оболочку. Многие же исходные органические примеси могут иметь слишком большие размеры частиц по сравнению с размерами клетки. В связи с этим значительная роль в общем процессе окисления отводится протекающему вне клетки ферментативному гидролитическому расщеплению крупных молекул и частиц на более мелкие, соизмеримые с размерами клетки. Если в сообществе микроорганизмов имеются простейшие, то их роль весьма многопланова и заключается прежде всего в регулировании числа бактерий в сообществе микроорганизмов и в непосредственном изъятии из сточной воды крупных частиц исходных примесей. § 25. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССОВ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ Эффективность процессов биологической очистки зависит от ряда факторов, одни из которых поддаются изменению и регулированию в широких диапазонах в пределах биологической системы, регулирование же других, таких, например, как состав поступающих на очистку сточных вод, практически исключено. Действие основных факторов, определяющих пропускную способность системы и степень очистки сточной воды, рассмотрено ниже. Температура. Оптимальной температурой для аэробных процессов, происходящих в очистных сооружениях, считается 20—30°С, при этом биоценоз при прочих благоприятных условиях представлен наиболее разнообразными и хорошо развитыми микроорганизмами. В то же время температурный оптимум бактерий различных групп варьирует в широких пределах: для психрофилов 10—15 °С, мезофилов 25—37°С, тер- 159
№ as« / У \ \ Рцс. 5.1. Температурная зависимость относительной активности суспензии Asotobacter fisheri мофилов 50—60 °С. Микроорганизмы хорошо развиваются при оптимальных температурах и сохраняют свою жизнеспособность при колебаниях температур в V Л /?/ $5 т/с значительных диапазонах. Так, психро- филы могут существовать & пределах температур от —8 до +30 °С, мезофи- лы — от —5 до +50 °С, термофилы —от +30 до +85 °С. Если температурный режим не соответствует оптимальному, то рост культуры, а также скорость обменных процессов в клетке заметно ниже максимальных значений (рис. 5.1). Наиболее неблагоприятное влияние на развитие культуры оказывает резкое изменение температуры. При аэробной очистке сточных вод влияние температуры усугубляется еще вследствие соответственного изменения растворимости кислорода. Очень чувствительны к температуре бактерии нитрификаторы; их наибольшая активность наблюдается при температуре не ниже 25 °С. В технических расчетах для оценки влияния температуры на скорость процессов используются формулы, приводимые в соответствующих нормативных документах. Продолжительность аэрации, вычисленную по формуле СНиП П-32- 74 для расчета аэрационных систем, следует умножить на отношение 15/Т (где Т — среднегодовая температура поступающих на очистку сточных вод). Относительная продолжительность окисления t изменяется в зависимости от колебаний температуры сточной воды: Г, °С і . . 10 0,67 15 1 20 1,33 25 1,67 30 2 При расчете высоконагружаемых биофильтров влияние температуры учитывается уравнением Стриттера: kT =/%2o-l.O47r-2Os E.9) где kT и ^20 — константы процесса соответственно при расчетных температурах сточных вод Г и 20 °С. Если условно принять &20=1, то относительное изменение величины константы процесса в зависимости от температуры оказывается: Т, °С 10 0s63 15 0,79 20 1 25 1,26 30 1.58 В окончательном расчете биофильтра влияние температуры, однако, уже не столь заметно, как это показано выше, поскольку в расчетной формуле значение kT. вуалируется одновременным учетом влияния еще ряда других параметров. В зарубежной практике, например в США, при расчете аэротенков также применяется уравнение Стриттера, но делается оговорка, что пределы его применимости охватывают значения температур от 4 до 30 °С. Активная реакция среды. Концентрация водородных ионов существенно влияет на развитие микроорганизмов. Значительная часть бактерий развивается лучше всего в среде нейтральной или близкой к ней, однако имеются виды, хорошо развивающиеся в кислой среде с рН = = 4-^6 (грибы, дрожжи) или, наоборот, в слабощелочной среде (акти- номицеты). Биологическая очистка наиболее эффективна, если значение pH не выходит за пределы 5—9, оптимальной считается среда с рН = 6,5-4-7,5. Отклонение pH за пределы 5—9 влечет за собой уменьшение скорости 160
окисления вследствие замедления обменных процессов в клетке, нарушения проницаемости ее цитоплазматическои мембраны и др. Ряд бактерий в процессе жизнедеятельности изменяет реакцию среды. Так, при разложении мочевины выделяющийся аммиак подщелачивает среду. Очень важно, что микроорганизмы сами способны регулировать величину pH среды, хотя и в ограниченных пределах. Если значения температуры и pH выходят за пределы не только оптимальных, но и допустимых величин, необходимо корректировать эти параметры в сточных водах, поступающих на биологическую очистку. Биогенные элементы. Для нормального процесса синтеза клеточного вещества, а следовательно, и для эффективного процесса очистки сточной воды в среде должна быть достаточная концентрация всех основных элементов питания — органического углерода (БПК), азота, фосфора. Кроме основных элементов состава клетки (С, N, О, Н) для ее построения необходимы в незначительном количестве и другие компоненты. Так, потребность клетки в марганце составляет 10-10~5 мг на 1 мг снятой БПК.5, меди— 14,6-10~5, цинке— 16-10-5, молибдене — 43-Ю-5, селене — 14-Ю-10, магнии — ЗО-Ю, кобальте — 13-Ю-6, кальции 62- 10~4, натрии — 5-Ю-5, калии — 45-Ю-4, железе —12-Ю~3, карбонат-ионе — 27-. 10~4. Содержание указанных элементов в природных водах, из которых затем образуются сточные, обычно достаточно, чтобы полностью удовлетворить требованиям бактериального метаболизма. Часто не хватает азота и фосфора и их добавляют искусственно в виде суперфосфата, ортофосфорной кислоты, аммофоса, сульфата, нитрата или хлорида аммония, мочевины и т. п. Достаточность элементов питания для бактерий в сточных водах определяется соотношением БПК : N : Р (азот аммонийных солей или белковой и фосфор в виде растворенных фосфатов). Согласно рекомендациям СНиП 11-32-74, при обработке городских сточных вод соотношение БПКполн: N :.Р должно быть не менее 100:5:1. Можно подсчитать, что в бытовых сточных водах, поступающих после механической очистки на биологическую, это соотношение составляет примерно 100:20:2,5. Как видно, здесь содержание азота и фосфора намного выше, чем это требуется по нормам проектирования, вследствие чего целесообразна совместная очистка бытовых и производственных сточных вод, если последние не содержат указанных биогенов. Для некоторых видов производственных сточных вод потребность в биогенных элементах определена на основании данных эксплуатации, приведенных ниже. Производство Соотношение БПК:N:Р в сточной воде Синтетических жирных кислот . . . . 100:3 Поливиннлацетатных пластмасс . . . 100:3,9:0,8 Изопренового каучука 100 : 3,3 : 0,9 Нефтеперерабатывающий завод . , , 100 : 5 Нефтехимический завод 100: 5 Синтетического глицерина 100 : 5 Нефтемаслозавод 100 : 7 Фенола, дихлорфенола, нитробензола и др 100 : 5 Целлюлозно-бумажное , 100 : 5 0,8 1 1,3 1,2 1,5 1,3 1 Химико-фармацевтическое 100 : 3,5 : 0,9 По данным Эккенфельдера (США), потребность в биогенных элементах подсчитывают из условия, что' активная биомасса илов содержит примерно 12,3 % ааота и 2,6 % фосфора, а остаток после биогенного метаболизма имеет соответственно 7 % азота и 1 % фосфора. Требуемые минимальные количества азота и фосфора подсчитываются на беззольную часть ожидаемого прироста ила. Уровень питания. В технической литературе за меру уровня пптяння принимают величину суточной нагрузки по загрязнениям в пересчете 11—179 161
a) 1 1 К Ш / \ Yy* § Х/уаианасса g д\ і \j V \ \ остаток время Декитрификация ЗФфекгпиёност очистки ро ВПК Высоконагрухае ¦ мыепэротвнт Возрастила- Нагрузкапа ВПК наил Рис. 5,2. Взаимосвязь основных параметров процесса биологического окисления о — изменение основных компонентов биологической системы в процессе аэрирования; 6 — влияние нагрузки на седшиеитационяые свойства ила на 1 м3 очистного сооружения, на 1 г сухой биомассы или на 1 г беззольной части биомассы. Наиболее часто оперируют значениями нагрузки по ВПК, однако в ряде случаев подсчитывают и величину нагрузки по индивидуальному виду загрязнений. Для аэрационных сооружений величина нагрузки на активный ил в совокупности с другими, характеристиками дает возможность предсказать эффективность процесса очистки и, в частности, седиментацион- ные свойства ила. Общая взаимосвязь некоторых величин, характеризующих работу аэротенков, показана на рис. 5.2. По степени нагруженное™ аэрационные системы разделяют на вы- соконагружаемые, классические и низконагружаемые. В высоконагру- жаемых системах (с нагрузкой более 400 мг БПКполн на 1 г беззольного вещества ила в сутки) сравнительно с остальными системами прирост ила наибольший, степень очистки наименьшая, ил содержит незначительное число видов простейших. Классические системы (с нагрузкой ]50— 400 мг БПКполн на 1 г беззольного вещества ила в сутки) обеспечивают очень высокую степень очистки по БПК, иногда частичную нитрификацию, имеют хорошо флокулнруемый ил, населенный большим числом микроорганизмов различных групп. Прирост ила в классических смете- мах меньше максимального в связи с достаточно глубоко проходящими процессами эндогенного окисления ила. В аэротенках низконагружае- мых (с нагрузкой ниже ]50 мг БПКгголп на I г беззольного вещества ила в сутки) степень очистки по БПК колеблющаяся, но чаще высокая, глубоко развит процесс нитрификации, прирост ила минимален, микробиологическое его население весьма разнообразно. Кислородный режим. В аэробных биологических системах подача воздуха (а также чистого кислорода или воздуха, обогащенного кислородом) должна обеспечивать постоянное наличие в смеси растворенного кислорода не ниже 2 мг/л. Собственно аэрационная система может работать при более низком уровне кислорода (до 1 мг/л), что доказано многими исследователями. При этом не наблюдается снижения скоростей утилизации органических веществ и процессов нитрификации. Однако в связи с тем, что при отделении ила от воды во вторичных отстойниках теряется растворенного кислорода от I до 2 мг/л, минимальный его уровень установлен в 2 мг/л, чтобы исключить продолжительность пребывания ила в анаэробных условиях. Система .аэрации обеспечивает также постоянное поддержание ила во взвешенном состоянии.
Токсичные вещества. Токсичным действием на биологические процессы могут обладать органические и неорганические вещества. Токсичное действие может быть и микробостатическим, если задерживается рост и развитие микроорганизмов, и убивающим (микробоцидным). Большинство веществ проявляет то или иное действие в зависимости от концентрации их в очищаемой смеси. Следует отметить, что и некоторые элементы, являющиеся необходимыми органогенами клетки, при высоких концентрациях становятся также токсичными. В связи с этим одной из основных задач является установление величин ПДК для индивидуальных химических веществ, а также выявление возможного действия смеси веществ, одновременно присутствующих в очищаемой сточной воде. За величину ПДК принимают максимальную концентрацию токсичного иещества, находящегося в воде и не оказывающего заметно отрицательного действия на работу биологических очистных сооружений (ПДКб.о-с). В то же время некоторое микробостатическое действие может проявляться уже при значительных меньших концентрациях, чем ПДКб-о.с- Поэтому кроме величины ПДКбо-с иногда указывается величина ПДКб—концентрация вещества, при превышении которой может быть отмечено какое-либо отрицательное действие на процессы биоокисления и на процессы жизнедеятельности клетки. Неорганические и ряд металлоорганических веществ характеризуются в основном только величинами ПДКб, поскольку эти вещества, как правило, не влияют на работу биологических сооружений (например, не способствуют ценообразованию, не изменяют растворимости кислорода и т.п.). Наименьшие ПДКб имеют: тетраэтилсвинец—0,001 мг/л; соединения бериллия, титана, ртути, хрома шестивалентного (все в пересчете на соответствующий элемент) и оксид углерода—0,01 мг/л; соединения бора ( в пересчете на бор)—0,05 мг/л; соединения висмута, ванадия, кадмия, никеля (в пересчете на элемент)—0,1 мг/л; сульфат меди (в пересчете на медь)—0,2 мг/л; цианистый калин—2 мг/л и т.д. Наименее токсичными являются соли натрия, лития, магния: их содержание в воде до 10 г/л не оказывает никакого действия. По отдельным сообщениям биологическая очистка сточных вод возможна при концентрации хлористого натрия до 10—20 мг/л. Соли калия имеют величину ПДКб = 1-^-560 мг/л в зависимости от вида аниона: самым ядовитым является калий железнстосинеродистый, наименее токсичным — калий фосфорнокислый. Соли кальция менее токсичны, чем соли калия, но и они имеют разную ПДКб в зависимости от того, в виде какого соединения они присутствуют в воде. Что касается органических веществ, то действие их изучено уже более чем для 800 соединений и число это непрерывно возрастает. Не выявлено пока какой-либо определенной взаимосвязи между величинами ПДК и собственной биохимической окисляемостью вещества, оцениваемой отношением БПК/ХПК- Встречаются случаи, когда при относительно высокой ПДК само вещество биохимически не окисляется, например фреон-253 (трихфторлорпропан), четыреххлористый углерод. Для фрео- на-253 отношение БПКполн/ХПК=0, а ПДКб составляет 100 мг/л. Это означает, что фреон-253 пройдет транзитом все биологические очистные сооружения и при этом не окажет никакого вредного влияния на микрофлору нла. Следует также отметить, что для большинства органических веществ характерно значительное превышение величины ПДКй.о.с над ПДКб и лишь для небольшой группы превышение ПДКп над ПДКб.о.с. С другой стороны, имеются вещества с очень низкой ПДКб при средней величине отношения БПКполн/ХПК. К таким относится, например, ацетофенон, имеющий ПДКб, равную 0,1 мг/л, и БПКполнДПК= = 0,425. Из ОрГаНИЧеСКИХ вещеСТВ С ОТНОСИТеЛЬНО НИЗКОЙ ПДКб.о.с (ДО 25 мг/л) можно назвать жесткие и промежуточные ПАВ, красители и др. п* 163
Необходимо заметить, что указываемые в литературе величины ПДК следует рассматривать как ориентировочные. Эти величины могут существенно изменяться от условий работы очистного сооружения, в частности, по концентрации ила. .В связи с этим представляется более целесообразным вместо ПДКб-о-с определять допустимую нагрузку но индивидуальному соединению на единицу беззольной части биомассы ила, чем будут учтены возможные варианты концентрации ила в сооружении. § 26. МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ РАЗЛИЧНЫХ КЛАССОВ Микробиологи утверждают, что все вещества биологического происхождения могут быть окислены в аэробных условиях и, каким бы сложным ни было вещество, в природе всегда найдется микроорганизм, способный его расщепить полностью или частично. Фрагменты частично расщепленного вещества обязательно используется другими микроорганизмами. Это утверждение основывается на том факте, что за все время существования нашей планеты на ее поверхности нигде не отмечено сколько-нибудь заметного накопления органических веществ. Поэтому можно говорить о «всемогуществе» сообщества микроорганизмов и их практической «универсальности». В этой связи и биологическое окисление примесей бытовых сточных вод (за исключением некоторых ПАВ), несмотря на их сложность, естественным образом включено в общий биологический круговорот биосферы. И задачей в очистке бытовых сточных вод является лишь интенсификация окислительных процессов, доступных природным механизмам биосферы. Однако, приспособившись усваивать естественные продукты, микроорганизмы очистных сооружений не всегда могут справиться с новыми видами производственных загрязнений, особенно если эти загрязнения по составу слишком отличаются от естественных. В этом случае надежда возлагается на мощные адаптационные свойства биоценозов сооружений. Многие виды бактерий способны индуцировать новые специфические ферментные системы, что позволяет расширить круг веществ, вовлекаемых в окислительные процессы. Если селекция микроорганизмов ведется направленно, путем постепенного изменения условий среды, например, постепенного введения нового стока во все увеличивающемся объеме, то в популяции микроорганизмов преимущественное развитие получают те группы организмов, которые в наибольшей степени приспосабливаются утилизировать именно эти новые виды примесей. Адаптационные свойства микроорганизмов все же не беспредельны, а потому целый ряд органических веществ (отходов производства) не усваивается микроорганизмами. В технике очистки сточных вод к категории биологически неокисляемых отнесено большое число веществ, но это не всегда означает принципиальную невозможность микробиологического окисления. Много чаще биологическое окисление оказывается в принципе возможным, но проходит с такими ничтожно малыми скоростями и требует столь длительной адаптации, что практически в условиях работы очистных сооружений окисление не наблюдается. Самым простым критерием оценки биоокисляемости органического вещества служит экспериментальное определение БПК. Если величина БПК определена (т.е. происходило потребление кислорода), вещество относят к категории окисляемых, если же БПК оказывается равной нулю (за длительный период инкубации пробы — более 5 сут)—к категории биологически неокисляемых. Безусловно, более строгим следует считать специальное исследование, проводимое по методике ВНИИ БОДГЕО, по которой процесс биоокисления производственных сточных вод оценивается путем учета развивающейся сапрофитной микрофлоры и простейших и сравнения 164
этих данных с величинами контрольного опыта. Окончательное суждение о составе вещества выносится по результатам прямого эксперимента, проводимого в модели очистного сооружения, услдвия работы которого максимально моделируют натурное сооружение. По результатам перечисленных выше методов иследований к категории неокисляемых веществ отнесены: мелампн (МН2KСз^, нитро- форм CH(NO2K, орто-паранитрохлорбензолы ЫО2СбН4С1, окснхинолин НОС9Н6, пикриновая кислота (NO2KC6H2OH, гексахлорбензол С6С16,' гексахлорбутан C4H4CU, 1,3-гексахлорбутадиен С2С12(СС!2J, ДДТ (««'- дихлордифенплтрихлорэтаи) С13ССН(С6Н4С1—/гJ; дихлорметан СН2С1г, 2,3-дихлор—1,4-нафтохинон СбН4С4О2С12, 1,2-дихлорэтан (СН2С1J> 1, 2, 3,4 — тетрахлорбензол С6Н2СЦ, циклогексан СбН12 и многие др. На основе большого опыта, накопленного при эксплуатации очистных сооружений, и множества специальных исследований механизма биоокисления чистых веществ сформулирован ряд положений, позволяющих дать ориентировочную оценку возможности биологической очистки в зависимости от химического строения вещества. Так, например, можно, по-видимому, считать достаточно доказанным, что первичные спирты окисляются легче вторичных, а вторичные—легче третичных. Достаточно обосновано также утверждение, что чем выше разветвлен- ность углеродной цепи, тем выше устойчивость к биоокислению. Легко окисляются низшие органические кислоты с числом углеродных атомов до 10. При .большей числе углеродных атомов для окисления требуется определенная адаптация микроорганизмов. Скорость окисления тем ниже, чем длиннее углеродная цепь. Циклические углеводороды в целом окисляются труднее парафиновых. Из циклоалканов возможность окисления доказана экспериментально для серии веществ, начиная от первого 'их представителя циклопропана до циклооктана, а также их метил- и этилпроизводных, цикло- алкиламинов, пиперидинов, гекса, гепта- и октаметиленимина. Биологически окисляются гидрохпнолины, спирановые гетероциклы. Циклоалканы — характерный пример случая, когда принципиально биоокисление возможно (оно доказано), но не проходит в очистных сооружениях, вследствие чего эти вещества отнесены к группе биологически неокисляемых. Интересно отметить, что некоторые полициклическне соединения (стероиды, алкалоиды, терпеноиды, адаманты), имеющие значительно более сложное строение, чем моноциклические, окисляются легко и могут быть окислены до конца, без накопления в среде промежуточных продуктов окисления. Наиболее подробно изучено биологическое разложение стероидных веществ, которые способны осуществлять многие не- специфические виды организмов. Одним из часто встречающихся загрязнителей производственных сточных вод является бензол и его производные. Бензол разрушается биологическим путем после соответствующей степени адаптации популяции организмов. Омечено, что производные бензола окисляются легче бензола. Способность к биологическому разрушению увеличивается в зависимости от наличия заместителей в последовательности: —СНз, —ООССНз, —СНО, —СН2ОН, — СНОН-СООН, —CN, —NH2f —ОНСООН, —SO3H. Достаточно подробно изучалась возможность окисления ПАВ. Среди этой группы соединений имеются как биологически окисляемые, так и не- оккеляемые. Окисляются алкилсульфаты, частично окисляются алкил- бензолсульфонаты, что зависит от длины и степени разветвленностн алкильного радикала и места его присоединения, а также от положения бензолсульфонатной группы. Определение состава промежуточных и конечных продуктов процесса биологического окисления органических веществ — большая и очень 165
сложная проблема, применительно к очистным сооружениям канализации практически не решенная. Сложность проблемы обусловлена колебаниями состава исходного сырья, а также изменчивостью условий работы очистного сооружения. Однако в приложении к процессам, происходящим в очистных сооружениях, можно, по-видимому, говорить о тех же основных путях трансформации органических веществ, какие встречаются в природных условиях и свойственны многим микроорганизмам. В качестве примера рассмотрим этапы окисления ациклических углеводородов (алканов). Алканы — обширнейшая группа соединений, родоначальником которой является метан СН4. Начиная с четвертого представителя ряда алканов—бутана, у соединений появляются изомеры и их число тем больше, чем больше число углеродных атомов. Так, у бутана С4Н10—два изомера, у декана СюН22—75, изомеров, а у эйкозана С2оН42—366 319! Наряду с углеводородами других родов (циклоалканами и ароматическими углеводородами) алканы входят в состав нефти; низшие представители ряда находятся в природном газе. Богатые алканами смеси получаются при перегонке нефти. Алканы всегда присутствуют в сточных водах, загрязненных нефтепродуктами, п возможность биологической очистки таких сточных вод представляет очень большой интерес. Микробиологическое окисление алканов возможно, оно осуществляется бактериями многих видов и может протекать по двум основным путям. Первый путь метаболизма первоначально включает окисление концевого атома углерода с образованием первичного спирта. Промежуточные стадии до образования продуктов гидрокснлирования еще не окончательно изучены, но предположительно образуются олефины и гидроперекиси. Дальнейшее окисление проходит до карбоновой кислоты через альдегид с последующим ?-окислением — метаболическим процессом, характерным для большинства микроорганизмов. Процесс состоит из пяти отдельных реакций, включая дегидрирование и гидратацию. В результате ?-окисления из первоначального субстрата теряется двууглеродный фрагмент (уксусная кислота). Таким образом, первый путь окисления алканов протекает по схеме: ¦Я-сн2-сн2-сн2- сн3 *- R - сн2 - сн2 - сн2 - Г \ Ъ - CH2-crf2-cn2-o - с - я r -сн2-ск2-сн2 -:сррн II I Q J JJ-ОКИСЛЄНИ'Є R- СН2-СООЦ-.СНзСО0Я< Более подробно схема ?-окисления выглядит следующим образом (где Ко — кофермент А): R-CiyCH2-CH2-C -0.Н —5— R -СН-2.-СН2 -CH^-CS- KoA. II I он ° К ° I М2о 1 К -СН2-СН -CH^-e-S-KOA-e- R- CH2-CH = CH-C-S-KoA. о |н2 о II 1 о о R СН2 С ~СН2 - С-?-КрА —»-R - CH2-C-S - KoA - СН3-С-S-KoA. " II s о. Hs-k'oA + СН3-С-0Н II а 166
Продуцируемая при ?-окислении уксусная кислота окисляется до воды и диоксида углерода в известном цикле три- и дикарбоновых кислот (в цикле Кребса). Второй путь метаболизма алканов — окисление при ?-углеродном атоме алкановой цепи. В этом случае первоначально образуются спирты или кетоны. Дальнейшее расщепление кетона ведет к образованию первичного спирта, длина цепи которого на два атома углерода короче, чем у исходного субстрата. Первичный спирт затем подвергается окислительной дегидрогенизации с последующим ?-окислением образовавшейся жирной кислоты. Схема окислительного метаболизма алканов, протекающего через первоначальное ?-окисление, выглядит следующим образом: R - сн2 - сн2 - сн% —~ r - сн2 - сн - сн3 —- r - сн2 - с - сн, I I II * он |. о карбоновая кислота -« Д-СНд-ОН + ацетат I J1 - окисление жирной кислоты *~ С02 + Н2°, Из показанных здесь схем расщепления алканов видно, что микробиологическое окисление — сложнейший многоступенчатый процесс. Окисление в сооружениях далеко не всегда проходит до конца, т. е. до образования СО2 и НгО. В воде после биологической очистки могут появиться вещества — промежуточные продукты, которых не было в исходной сточной воде, иногда даже менее желательные для водоема, чем первоначальные загрязнения. В связи с этим глубокая расшифровка веществ в очищенной сточной воде — задача первостепенной важности при решении вопроса об их дальнейших превращениях в водоеме (почве). § 27. МЕТОДЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД В ЕСТЕСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ \ Для биологической очистки производственных сточных вод могут быть применены все известные методы очистки в естественных и искусственных условиях, используемые для обработки бытовых и городских сточных вод, в том числе и почвенные. Однако применение почвенных методов связано с рядом ограничений, обусловленных количеством и характером сточных вод, санитарно-гигиеническими требованиями и способами утилизации. Основные критерии для выбора метода почвенной очистки Почва — это сложный комплекс органических и неорганических веществ, заселенный большим числом различных микроорганизмов. Число бактерий в 1 г почвы исчисляется сотнями миллионов. В почве отсутствуют благоприятные условия для развития патогенной микрофлоры, паразитирующей в организме человека, вследствие чего почва представляет собой надежный и мощный фактор обезвреживания сточных вод. В результате почвенной очистки одновременно решаются две основные задачи — минерализация внесенных органических веществ и обеззараживание. По масштабам применимости метод почвенной очистки значительно уступает методам искусственной биологической очистки и, кроме того, очистка на полях орошения и фильтрации использовалась до сего времени только для бытовых и городских (смешанных) сточиых вод, а не для чисто производственных. Последнее обстоятельство обусловлено 167
большим абсолютным количеством последних на современных предприятиях, малой пропускной способностью единицы площади полей, непостоянством состава сточных вод и возможным присутствием в них токсичных примесей. Серьезные затруднения возникают при выборе площадки для устройства полей из-за высоких требований в отношении защиты окружающей природной среды, предусматривающих, в частности, полное исключение возможности попадания сточных вод с полей в водоносные слои, используемые в качестве источников водоснабжения. Необходимо также отметить постоянное повышение требований врачей- гигиенистов к сточным водам, поступающим на поля орошения. С момента возникновения первых полей орошения (в Одессе — в 1887 г., в Киеве —1894 г., в Москве—в 1898 г.) они претерпели большую эволюцию. Если в самом начале применялось орошение сточными . водами без их предварительной механической очистки, то по мере накопления систематических данных об эпидемиологической опасности этих вод и их влиянии на качество выращиваемых культур, на грунтовые воды и свойства почвы от такого метода пришлось отказаться. Начиная с 40—50-х годов предварительная механическая очистка стала необходимым условием, а уже с 60-х годов гигиенистами выдвинуто требование обязательной биологической очистки сточных вод перед подачей их на поля орошения. Таким образом, в настоящее время поля орошения могут рассматриваться преимущественно как сооружения дополнительной глубокой очистки сточных вод (доочистки). Однако указанные требования все же не исключают полностью возможность использования почвенных методов как приемов самостоятельной очистки производственных сточных вод. В последние годы проведено большое число исследований с целью дать научно обоснованные рекомендации для использования почвенных методов очистки производственных сточных вод и тем самым увязать интересы промышленности и сельского хозяйства, нуждающегося в развитии поливного земледелия. В результате исследований разработаны основные критерии оценки состава сточной воды и пригодности е,е для орошения сельскохозяйственных культур в зависимости от типа почв. Возможность применения почвенных методов очистки вообще, а также применительно к производственным сточным водам решается с учетом гигиенических показаний качества воды, почвенно-климатических условий и технико-экономической оценки. При оценке качества воды и ее пригодности для орошения необходимо рассматривать и учитывать степень минерализации, анионно-катионный состав, степень загрязненности органическими примесями, содержание токсических веществ и удобрительную ценность. ¦ В предложенной в 1970 г. В. Т. Додолиной классификации сточных вод с точки зрения пригодности для орошения все производственные сточные воды разделены на пять групп по признаку возрастания требований к их предварительной очистке перед подачей на поля. Сточные воды I группы вообще не требуют никакой предварительной очистки, а сточные воды V группы для орошения не пригодны. В частности, к I группе отнесены сточные воды текстильных производств (суконного и коврового производства) и ряда предприятий тяжелой промышленности. Воды I группы можно применять для орошения почв любого типа. Сточные воды пищевой промышленности — крахмальных, сахарных, дрожжевых, консервных заводов и мясокомбинатов — отнесены ко II группе. Эти сточные воды рекомендуется применять на дерново-подзолистых почвах, серых лесных, каштановых и черноземных после предварительного удаления из воды осадков и небольшого разбавления в период вегетационных поливов. Сточные воды химических и химико- фармацевтических производств входят в IV группу и требуют глубокой предварительной очистки с целью снижения степени минерализации, а также для нейтрализации и изъятия органических примесей. 168
Для ряда химических веществ и отдельных элементов установлены значения ПДКорош в сточных водах, используемых для орошения. Отметим, что ПДК орош отличается от упоминавшихся ранее ПДКб.о.с и ПДКг). Для сравнения ниже показаны значения ПДКб.о.с и ПДКорош, мг/'л, некоторых веществ: Вещество ПДК б. о. с. ПДК орош Медь . . . . Никель . . . Цинк . . , . Кобальт . . . Нефтепродукты 0,5 10 0,5 1 1 1 1 2 25 100 При решении вопроса о применимости сточных вод для орошения серьезное внимание обращается на степень минерализации сточной воды. Пригодной для всех культур считается сточная вода с уровнем засоленности до 300 мг/л. При содержании солей 400—600 мг)л сточная вода может быть использована только на почвах с хорошей структурой, а при концентрации свыше 600 мг/л применение этой воды для орошения уже крайне ограничено. Напомним, что степень минерализации городских сточных вод колеблется от 400 до 800 мг/л, а во многих производственных сточных водах достигает 1000—-3000 мг/л, что существенно ограничивает возможность почвенного орошения. В почвенно-климатических условиях учитываются: тип грунта, рельеф местности, уровень залегания подземных вод, среднегодовое количество осадков, продолжительность вегетационного периода и т. п. В рекомендациях по устройству полей указывается, что уклон рельефа местности не должен превышать 0,02—0,03, уровень подземных вод не должен находиться на глубине, меньшей 1,25 м от поверхности земли, количество осадков не должно превышать 500 мм в год. Исключается возможность применения полей орошения при средней годовой температуре ниже 6 °С и на тяжелых грунтах — глинах; тяжелых суглинках, супесях, плотных известняках и т. п. Установлено, что наибольшая гигиеническая и экономическая эффективность использования сточных вод для нужд сельского хозяйства достигается при устройстве полей орошения в южных и юго-восточных районах нашей страны. Сооружения почвенной очистки Сооружения почвенной очистки сточных вод по мощности разделяют на малые, средние и крупные с расчетной пропускной способностью 0,5—25 и 25—700, 1400—10 000 и 17 000—80 000, 100 000—280 000 м3/сут. Малые сооружения имеют много разновидностей: площадки подземного орошения (ППО), площадки подземной фильтрации (ППФ), фильтрующие колодцы (ФК), фильтрующие траншеи с естественным или искусственным слоем грунта (ФТ) и песчано-гравийные фильтры (ПГФ). Малыми сооружениями могут считаться и небольшие поля подземного орошения или подземной фильтрации. Самыми крупными со-, оружениями являются коммунальные поля орошения (КПО), земледельческие поля орошения (ЗПО) и поля наземной фильтрации (ПНФ). Применяют несколько видов систем орошения: сплошной залив, залив по бороздам и полосам, дождевание и подпочвенное орошение. Считают, что из всех способов орошения подпочвенное (рис. 5.3) наиболее удовлетворяет эпидемиологическим, санитарно-техническим, агроэконо- мическим, эстетическим и водохозяйственным требованиям. По,пропускной способности для очистки производственных сточных вод, по-видимому, наиболее подходят средние сооружения ,1,4—10 тыс. м3/сут и городские на 17—80 тыс. м3/сут. Поэтому наибольший интерес представляют ПНФ, а также КПО и ЗПО. 169
Схема очистных сооружений с малыми ПНФ показана на рис. 5.4. В систему сооружений предварительной механической очистки входят решетка, песколовка и двухъярусный отстойник. Предусматриваются вывоз и обезвреживание песка, а также обезвреживание осадка из отстойников от патогенной микрофлоры и яиц гельминтов. Как самый доступный метод обезвреживания применяют иловые площадки с дли- \ \ 7 і і і І і! І І І І І І > І Рис. 5.3. Схема очистных сооружений с полями подземного орошения / — канализационный коллектор: 2 — резервуар- накопитель; 3 — насосная станция; •* — напорный трубопровод; 5 — подпочвенный распределительный трубопровод; 6 — подпочвенный увлажнитель; 7 — гидрант-водопуск; « — контрольно-вентиляционный стояк Рис. 5.4. Схема очистных сооружений с малыми полями наземной фильтрации производительностью 100 м3/сут / — канализационный коллектор; 2 — канализационный колодец; 3 — решетка; 4 — установки ути* лнзацни нлн обезвреживания отбросов; 5 — песколовка; 6 — песковые площадки; 7 — двухъярусный отстойник; 8 — иловые площадки; 9 — распределительное устройство; 10 — карты полей фильтрации 4 Рис. 5.5. Схема очистных сооружений с малыми полями орошения при круглогодичном приеме сточных вод / — канализационный коллектор; 2— канализационный колодец; 3 — решетка; 4— установки утилизации или обезвреживания отбросов; 5 — двухъярусный отстойники; 6 — иловые площадки; 7 — распределительное устройство; 8 — поля орошения; 9 — пруды-накопители 12 Рис. 5.6. Схема очистных сооружений с большими полями орошения / — канализационный коллектор; 2 — канализационный колодец; 3— решетка; 4 — дробилки; 5 — песколовка' в — песковые площадки; 7 — отстойник; 8 — метантеик; 0 — иловые площадки; 10 — распределительный колодец; II —поля орошения; 12 — дренаж; 13 — биологический пруд; 14—подача воды для технических целей; 15 — выпуск в водоем 170
тельным хранением на них осадка (не менее 2 лет). Схемы сооружении с малыми ПНФ разработаны в нескольких вариантах. Один из них предусматривает круглогодичный прием сточных вод с сезонным регулированием их подачи (рис. 5.5). Полив осуществляется только в вегетационный период, а в остальное время года сточные воды должны поступать в пруды-накопители вместимостью, равной 6-месячному накоплению в них воды. В качестве системы орошения в последние годы предложено использовать передвижное ирригационное оборудование. Схема очистной станции с большими полями орошения показана на рис. 5.6. Сточная жидкость подается на эти поля после 'механической очистки. Осадки обрабатываются в метантепках. Вода с полей отводится через дренажную систему. Поскольку сточные воды для полива можно использовать только в определенный период, более перспективной в настоящее время считается система с частичным использованием биологически очищенной воды для орошения. По такой схеме работает сейчас Бортническая оросительная система Киева. Заслуживают внимания результаты опытов по применению для орошения биологически очищенных сточных вод Северодонецкого промышленного комплекса, полученные в 1972 г. А. П. Селивановым. Наблюдения показали, что при норме полива 2000—2400 м3/га не отмечалось не- блатоприятного влияния на плодородие почв и их санитарные показатели. Оценка выращенной на участках, орошаемых производственными сточными водами, продукции по бактериологическим, гельминтологическим и радиометрическим показателям свидетельствует о ее эпидемиологической безопасности. К сожалению, орошение биологически очищенными водами не исключает полностью возможности загрязнения почвы и выращиваемых растений патогенными-бактериями и яйцами гельминтов. В связи с этим поиск и разработка новых очистных систем, безопасных в санитарном отношении, продолжается. Технологический расчет полей.орошения и фильтрации, включающий определение необходимых площадей, размеров и конструкции подводящих, распределительных и отводящих сооружений, по существу 'не отличается от расчета полей, используемых для очистки бытовых сточных вод. Основой расчета, как и в случае использования бытовых сточных вод, является величина допустимой нагрузки на поля орошения или фильтрации, причем при расчете полей орошения нагрузка корректируется с учетом величины ПДКорош- Однако для производственных сточных вод, весьма разнообразных по составу, отсутствуют научно обоснованные и проверенные практикой данные о величине допустимых нагрузок. Поэтому при расчете полей для производственных сточных вод приходится ориентироваться на рекомендуемые нормы для бытовых, вводя поправки на более высокие концентрации примесей в производственных сточных водах и учитывая компоненты в их составе. В настоящее время не может быть дано общих указаний о величине этих поправок. Должно быть найдено частное решение для каждого конкретного случая с учетом состава сточной воды, подлежащей очистке. Биологические пруды Биологические пруды — искусственно созданные водоемы, в которых для очистки сточных вод используются естественные процессы. Эти пруды могут применяться как для очистки, так и для глубокой очистки сточных вод, прошедших биологическую очистку. Это последнее назначение биологических прудов имеет преимущественное распространение. Различают пруды с естественной и искусственной аэрацией. В зарубежной литературе эти две разновидности прудов называются соответ- 171
-{йї4Ці=і! IhhI-j-hI- Аэроонаягта Рис. 5.7. Лагуны а — аэробно-анаэробная; б—аэробная ственно аэробно-анаэробными, а также факультативными и аэробными лагунам;; (рис. 5.7). Режим в лагуне аэробно-анаэробный, если аэрация ее обеспечивает наличие растворенного кислорода только в поверхностных слоях воды. Искусственную аэрацию можно осуществлять с помощью механических аэраторов или путем продувки воздуха через толщу воды. Наиболее эффективно окислительные процессы в прудах проходят в летнее время, кроме того, в это время выходящая из пруда вода не содержит патогенной микрофлоры. Полагают, что бактерицидным действием на патогенную микрофлору обладают метаболиты (продукты жизнедеятельности) ряда одноклеточных водорослей и высшей водной растительности. В связи с этим хлорировать очищенную в прудах воду требуется преимущественно в зимнее время года. Для лучшего прогрева воды, ее освещения и аэрации пруды с естественной аэрацией устраивают неглубокими A м). При наличии механических аэраторов глубину пруда увеличивают до 3 м, чтобы предохранить его дно от размыва. Пруды с искусственной аэрацией устраивают из нескольких параллельных каскадов (до трех — пяти, но не менее двух); после прудов рекомендуется выделять отстойные секции и предусматривать их очистку. Применение искусственной аэрации в_прудах значительно ускоряет процессы очистки воды, но вследствие малой скорости окисления необходимая продолжительность пребывания воды в прудах все же очень высока (см. ниже). . В окислительных процессах существенную роль играет водная растительность, которая способствует снижению числа биогенных элементов и регулирует кислородный режим водоема. Опыт применения биологических прудов для очистки сточных вод завода органического синтеза и ряда нефтехимических предприятий оказался весьма положительным. К недостаткам этих сооружений следует отнести низкую окислительную способность, сезонность работы, потребность в больших территориях, неуправляемость и затруднительность очистки. Если требуется глубокая очистка стоков, воду из прудов дополнительно очищают фильтрованием на песчаных фильтрах. Вещество Алканы . . Арены . . Спирты . . Фенолы Альдегиды . Жирные кислоты Продолжительность полного окисления, сут, в прудах с аэрацией естественной искусственной 66 80 40 60 50 44 17 24 LQ 12 12 11 Методика расчета биологических прудов различна, Для прудов с естественной аэрацией, предназначенных для очистки и глубокой очистки производственных сточных вод, продолжительность пребывания воды в пруду, / сут, определяют по формуле t=-L-[g-b-, E.10) 172
где к, — константа скорости процесса, нсзыпяемая коэффициентом неконсервативности, г-'; La и Lc — БПКіїили сточной воды, соответственно поступающей и выходящей из пруда, мг/л. Формула E.10) справедлива для L0^300 мг/л. Если БПКполн поступающей воды более 300 мг/л, то Lo принимают равной 300 мг/л, а в формулу вводят второй член, учитывающий ход реакций окисления по переходному (до 500 мг/л) или нулевому (более 500 мг/л) порядку реакции E.и) где LH— БПКполн поступающей в пруд сточной воды, если оно более 300 мг/л; ka — коэффициент неконсервативности в реакциях нулевого или переходного (от нулевого к первому) порядка, мг/(Л'С). Значения коэффициентов неконсервативности для ¦ каждого вида сточных вод индивидуальны и должны приниматься на основании эксперимента. Для этого определяют БПК в склянках и по кривой зависимости БПК=/(^) рассчитывают величину ki. Для водоемов с естественной аэрацией принимают, что скорости окисления в них будут равны скоростям окисления в склянках. Зная необходимую продолжительность очистки, рассчитывают общий требуемый объем системы, принимая во внимание, что в водоемах с замедленным течением активная зона составляет не более 40—60 % общего объема пруда. Затем определяют площадь зеркала воды, которая должна обеспечить поступление в нее необходимого количества кислорода. Если аэрируемые пруды сооружаются искусственно со ступенями равного объема, задача сводится к определению необходимого числа ступеней и потребного расхода воздуха на аэрацию системы. При глубокой очистке биологически очищенной воды вместимость одной секции принимают исходя из 1,5—2-суточного пребывания в ней воды. Параметр ?, характеризующий скорость окисления, в зависимости от свойств исходной сточной воды, рассчитывают по формуле где /гд — коэффициент неконсервативности в динамических условиях [экспериментальные исследования показали, что &д=E-^7)&[, т. е. в 5—7 раз более коэффициента неконсервативности, установленного в лабораторных условиях]; W — объем ступени; q — суточный расход сточной воды. Далее определяют число ступеней п, задавшись численным значением величины БПКполн воды, выходящей из системы прудов Ln. Расчет ведут по формуле 1 — ?" ¦ La = Lap+.- f- Lri E.13) 1 — ? где La — БПКполн поступающей воды; Lt — БПКполн, обусловленное вторичным загрязнением воды метаболитами микроорганизмов; величину Lr можно принимать равной 1—2 мг/л, но в период бурного цветения воды она достигает 10 мг/л и более. Для ориентировочных расчетов второй член формулы E.13) можно не принимать во внимание и тогда число ступеней определится: ?. E.14) Если объемы ступеней неодинаковы, то расчет ведут по тем же формулам, но определяют последовательно качество воды, выходящей из каждой ступени пруда. Удельный расход воздуха D, м3 на 1 м3 сточной воды, пребывающей в данной і-й ступени пруда, для пневматической системы аэрации находят по формуле (a — b) 173
где Z — удельный расход кислорода, равный 1,8—2 мг/л на 1 мг снятой БПКгюлв", Lt-, — БПКполн сточной воды, поступающий в j-ю ступень; Li — БПКполн сточной воды, выходящей из ступени; Ь — фактическое или необходимое содержание кислорода в воде і-й ступени (во всех ступенях может достигать не более 2—3 мг/л, а в последней ступени определяется из условий спуска в водоем); Ьа — содержание кислорода в воде, поступающей в і-ю ступень, k — коэффициент использования воздуха, зависящий от типа аэратора; ft3 — коэффициент, учитывающий заглубление аэратора h, равный: &3 = /i°.67; ii\—коэффициент, учитывающий температуру; п2 — коэффициент, учитывающий состав воды (при глубокой очистке n2 = 0,9); a — растворимость кислорода при данных условиях. Общий расход воздуха определяется как сумма количества воздуха, требующегося для каждой ступени. При механической системе аэрации необходимое число аэраторов т подсчитывают по формуле « t () й/і! «2 (а — Ь) где q — расход сточной воды; к = 0,57^ Df (Яс + hnf7 і0/«0/5; E. 17) N — частота вращения ротора; ?>р — диаметр ротора; Нс — глубина погружения диска ротора в воду; йл — высота лопасти ротора; іл—ширина лопасти; пл — число лопастей. В основе метода расчета аэробных лагун, применяемого за рубежом (США), лежит предположение, что эти сооружения по существу мало отличаются от аэротенков-смесителей, в связи с чем при проектировании прудов применяются те же формулы, что и для расчета аэротенков- смесителей. § 28. МЕТОДЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД В ИСКУССТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ Биологическая очистка сточных вод в искусственных условиях имеет многолетнюю историю. Первые очистные сооружения были построены в Англии; биофильтр в 1893 г. и аэротенк в 1914 г. В отечественной науке и технике ведущая роль в популяризации идей биологической очистки, глубоком изучении процессов окисления, создании первых методов расчета сооружений и разработке принципиально новых конструкций принадлежит С. Н. Строганову, К. Н. Королькову, Н. А. Базякиной. Всю совокупность сооружений биологической очистки целесообразно разделить на три группы по признаку расположения в них активной биомассы: 1) когда активная биомасса закреплена на неподвижном материале, а сточная вода тонким слоем скользит по материалу загрузки; 2) когда активная биомасса находится в воде в свободном (взвешенном) состоянии; 3) когда сочетаются оба варианта расположения биомассы. Первую группу сооружений составляют биофильтры; вторую — аэротенки, циркуляционные окислительные каналы, окситенки; третью— погружные биофильтры, биотенки, аэротенки с заполнителями. Микробиологическая и микроскопическая характеристика активного ила и биопленки Самыми важными факторами формирования биоценоза илов очистных сооружений являются состав обрабатываемой воды и величина нагрузки на ил (биопленку). Действие других факторов — температуры, перемешивания, концентрации растворенного кислорода — практически не изменяет качественного состава илов, но влияет на количественное соотношение различных групп микроорганизмов. Бактериальное микронаселение илов обычно представлено родами Pseudomonas, Bacterium, Bacillus, Corynebacterium, Arthrobacter, Mycobacterium, Micrococcus, Sarcina, Actinomyces, Nocardia и др. К порядку Pseudomonadineae относится 50—80 % бактерий илов, 174
очищающих производственные сточные воды. Сюда входят бактерии, окисляющие метан (Methanomonas), нитриты (Nitrosomonas), молекулярный водород (Hydrogenomonas), восстановленные соединения серы (Sulfomonas, Thiobacilius) и др. Бактерии Hydrogenomonas интенсивно разлагают жирные кислоты, ароматические н гетероциклические соединения, а Sulfomonaa кроме соединений серы хорошо усваивают органические соединения. В производственных сточных водах встречается до 30 видов Bacterium. Эти бактерии усваивают нефть, парафины, нафтены, фенолы и другие соединения. Видовое название бактерии отражает характер усваиваемых соединений: Bact. aliphaticum, Bact. naphtalinicus, Bact. benzoli, Bact. cyrloclastes и др. Різ аммонпфпкаторов в сточных водах встречаются Bact. mycoides. Процессы аммонификации белковых соединений — важнейшая составная часть процессов очистки сточных вод. Высвобождающийся аммиак является источником азота, часть его окисляется до нитритов и нитратов. Из групп серобактерий в илах развиваются Thio- bacterium и Thiotrix, окисляющие сульфиды, гипосульфиты, сероводород. Бактерии Bacilius, преобладающие среди микроаэрофильных. и факультативно анаэробных форм, окисляют углеводы, фенолы, спирты; Corynebacterium и Arthrobacter встречаются в сточных водах производства нафтеновых и синтетических жирных кислот; Mycobacterium — в сточных водах крекинга и риформинга. Бактерии Micrococcus усваивают спирты, органические кислоты, альдегиды, бактерии Sarcina —фенолы, сахара и т. д. В биоценозах очистных сооружений встречаются представители трех классов простейших: саркодовые (Sarcodina), жгутиковые (Mastigop- hora) и инфузории (Infusoria) с двумя подклассами — ресничные (Ci- liata) и сосущие (Suctoria). Простейшие являются индикаторами состояния окислительной системы и качества очистки воды. Установлено, что в илах хорошего качества на 1-Ю16 бактериальных клеток приходится 10—16 видов простейших организмов, в илах среднего качества — 5—9 и в илах плохого качества 1—4. Этот показатель состава кла называют коэффициентом протозойпости kpr. Из других сопутствующих организмов важное место занимают коловратки (Rotatoria)'—микроскопические животные длиной 0,01—2,5 мм. питающиеся бактериями, простейшими, органическим детритом. Они чувствительны к кислороду и являются показателями хорошей работы очистной системы. Кроме рассмотренных групп организмов в илах и биопленке развиваются водные грибы, дрожжи, плесени, а в биопленке встречаются даже водные клещи, мушки Psichoda. В сооружениях с меняющейся нагрузкой на биомассу по ходу движения сточной воды (аэротенки-вытеснители, биофильтры) изменяется биоценоз. В частности, в биофильтрах основная часть микрофлоры, окисляющей химические загрязнения, сосредоточена в верхнем слое — до 0,5 м от орошаемой' поверхности сооружений. В более глубоких слоях микронаселение значительно меньше (табл. 5.1). Отмечено также, что плотность микробиального населения в высоконагружаемом биофильтре в десятки раз превышает плотность, создающуюся в капельном биофильтре. Развитие простейших при очистке в биофильтрах сточных вод различных производств показане в табл. 5.2. В аэротенках-вытеснителях по ходу движения сточной воды достаточно четко прослеживается изменение в микробиальном составе ила. В начале процесса, когда на единицу массы ила приходится большая масса загрязнений, в нем преобладают гетеротрофные бактерии и са- прозойные простейшие, питающиеся растворенными органическими веществами. Свободно плавающие ресничные представлены незначитель- 175
ТАБЛИЦА 5.1 МИКРОНАСЕЛЕНИЕ БИОФИЛЬТРА Группы бактерий Окисляющие: нефть алканы алкены нафтены арены спирты фенолы альдегиды жирные кислоты Нитрифицирующие: I стадии II > Денитрифицирующие Гнилостные анаэробы Окисляющие:. нефть алканы алкены нафтены арены спирты фенолы альдегиды жирные кислоты Нитрифицирующие: I стадии II > Денитрифицирующие Гнилостные анаэробы Число бактерий, м-ін ед. 0—0,25 по нертикали 0,25—0.5 Капельный биофильтр 0,3 2 0 4 0 10 4 0,5 15 0,02 4 50 0 5 4 0,05 6 0,02 20 10 0,2 60 0,1 6 100 0,2 Высоконагружаемый биофильтр 5 6 8 30 4 100 80 10 150 0,5 30 0,5 0 40 34 12 ЬО 8 180 150 30 300 0,9 80 5 0 на 1 г сухої фильтра, м 0/5—1,25 0,05 0,01 0 0,6 0 0,02 0,05 0,05 0,5 0,02 0,2 4 0,5 4 2 5 6 0,5 5 10 7 12 0,5 8 3 0,5 бнопленкн 1,25—1,5 0,002 0,04 0 0,05 0 0 0,001 0,001 0,1 0,002 4,04 0,5 0,5 0,5 0,1 0,3 0,1 0,1 0,8 о ¦ 0,5 1,5 1,05 0,5 0,1 0,1 ко. Далее при уменьшении количества загрязнений преобладающими становятся голозойные свободно плавающие инфузории и коловратки, питающиеся бактериями и сапрозоиньши простейшими. В конце процесса очистки максимальное развитие получают прикрепленные и хищные ТАБЛИЦА 5.2. РАЗВИТИЕ ПРОСТЕЙШИХ В СТОЧНЫХ ВОДАХ РАЗЛИЧНЫХ ПРОИЗВОДСТВ Сточные воды установок н производств Перегонки нефти Крекинга Ркформинга Коксования Производства смазок » присадок Алкнлирования углеводородов Сульфирования Хлорирования углеводородов Производства ПАВ » белково-витамин- ного концентрата Число простейших на 1 м" загрузки биофильтра Sarco- di na 1-Ю2 ыо- 4.10а 5-Ю3 4-Ю2 3-Ю2 2-Ю2 1-Ю 2-Ю 0 МО* Masligo- phora 3-Ю4 5-Ю4 7-Ю" 7-10і' 6- 10= 2-Ю-' 3-10f- 4- !0a 0 2-Ю-1 5-Ю"' Ciliata 4-Ю10 4-Ю8 5-Ю7 3-Ю8 5-Ю» Ы010 5-Ю10 b- КI" 7-10" 4-Ю4 , 4-10^ Suctoria 2-102 1.10й 2-10 2-10і 2-Ю2 МО2 3-Ю 3-Ю2 1-Ю 2- I? 3-Ю? Rotatoria 2-Ю2 5-Ю 2-Ю 5-10 ь-№ 2-Ю2 3-Ю3 0 2-Ю 3-Ю 2-Ю2 Коэффициент протозой- ности 12 4 5 4 5 6 8 5 3 0,1 40 176
инфузории, коловратки, черви, питающиеся голозойными инфузориями и иловыми частицами. Многочисленные наблюдения за состоянием илов позволили выявить общую взаимосвязь между качеством очистки сточной воды в аэротен- ках и наличием в илах простейших (табл. 5.3). ТАБЛИЦА 5.3. СТЕПЕНЬ РАЗВИТИЯ ИНДИКАТОРНЫХ Характеристика работы биологического окисления Неудовлетворительная Удовлетворительная (нитрификация слабая) Хорошая ' (нитрификация хорошая) ОРГАНИЗМОВ ПРИ РАЗЛИЧНОЙ РАБОТЕ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ Амебы Бесцветные жгутиковые Преобладают Единичные экземпляры Преобладают Отсутствуют Инфузории Отсутствуют ет очень малое Преобладают разнореснич- ные Преобладают кругло- и брга- хоресничные Коловратки їли присутетву- число Преобладают Интересно отметить, что при очистке одной и той же сточной воды в аэротенке и биофильтре развивается идентичная микрофлора, но с разным количественным соотношением отдельных групп микроорганизмов. В 1967 г. Ц. И. Роговской было найдено, что в 1 м3 аэротенка при очистке дренажных вод, содержащих сероводород, число микробов, учтенное методом посева на питательные среды, составляло 2-1014, из них анаэробов около 0,01 %. Число микробов в 1 м3 биофильтра достигало 1-Ю'2, при этом анаэробная микрофлора составила уже 28,8 %. Важнейшим свойством активного ила является его способность к оседанию. Свойство оседания описывается величиной илового индекса, представляющего собой объем в мл, занимаемый 1 г ила в его естественном состоянии после 30-минутного отстаивания. Илы с индексом до 120 мл/г оседают хорошо, с индексом 120—150 мл/г — удовлетворительно, а при индексе свыше 150 мл/г — плохо. Иногда плохая оседаемость ила связана с развитием в нем нитчатых бактерий — Sphaerotilus natans, Cladothrix dichotomus, Leptothrix. Плохая оседаемость ила влечет за собой повышенный вынос его с очищенной водой и, следовательно, ухудшение качества их очистки. Оседаемость ила зависит от способности бактерий образовывать зоо- глеи (хлопки ила) —скопления бактерий разной формы и консистенции, окруженные слизистым слоем. Установлено, что хлопьеобразование у ила тем выше, чем больше в нем капсульных форм микробов. Соотношение капсульних и бескапсульных форм бактерий в иле называют коэффициентом зооглейности kz. Чем он выше, тем, следовательно, выше способность к хлопьеобразованию. Выявлена четкая зависимость способности к оседанию от нагрузки на ил (см. рис. 5.2,6); лучшей оседа- емостью обладают илы, имеющие нагрузку по загрязнениям, соответствующую «классическим» системам аэротенков. . Илы обладают способностью вспухать, причем это явление наблюдается в любых системах, кроме низконагружаемых, работающих с полной минерализацией ила. Вспухший ил (его индекс составляет более 150 мл/г) очень плохо отделяется от воды, однако вследствие весьма развитой поверхности соприкосновения частиц ила с водой он обладает высокой очищающей способностью. Существует мнение, что бороться с Еспуханием илов практически невозможно, поскольку нельзя устранить его причины, которые неизвестны. К вспуханию ила могут привести самые разнообразные изменения условий работы системы, обычно не удается зафиксировать какую-либо одну конкретную причину этого явления. 12—179 177
"маме Рис. 5.8, Зависимость скорости ферментативных реакций v от концентрации субстрата 5 Кинетика ферментативных реакций биологического окисления Биологическая кинетика — это наука о временных закономерностях явлений, протекающих в живой природе. Условно в биологической кинетике выделяют четыре основных направления: биохимическую, биофизическую, микробиологическую и популіі- циоиную. К биохимической кинетике относятся закономерности изменения скоростей биохимических реакций, к биофизической — закономерности протекания физических явлений в живых организмах (например, диффузия макромолекул через полупроницаемую мембрану, механизм фотосинтеза, электрокинетические явления). Количественные закономерности роста бактерий — предмет, входящий в микробиологическую кинетику, а количественные закономерности изменений числа особей в популяциях экологической системы относятся к популяцнонной кинетике. В последнее время некоторые закономерности биохимической кинетики стали использоваться применительно к математическому описанию процессов биологического окисления сложным биоценозом ила. В основу развития биохимической кинетики положена классическая теория Михаэлиса— Ментена, которая построена на строгом математическом обосновании гипотезы об образовании фермент-субстратного комплекса. Е результате рассмотрения односубстратной ферментативной реакции авторами было пщучено хорошо известное уравнение: <5Л8> где ;>— скорость реакции; vVikc— максимальная скорость реакции; S — концентрация субстрата; Км—константа Михаэлиса, численно равная концентрации субстрата (рис. 5.8). Работами Моно было показано, что скорость роста биомассы культуры бактерий \х может быть описана аналогичным уравнением Цмакс [S] К м E.19) где Цмакс — максимальная скорость роста биомассы. Позднее Н. Д. Иерусалимский усовершенствовал модель Моно введением поправочного члена, учитывающего влияние продуктов обмена ьа рост бактерий и потребление субстрата. Развитием теории роста бактериальных культур были модели Герберта, учитывающие не только рост, но и отмирание культуры, а затем и Кенела, разработанные для описания роста смешанной популяции — бактерий и простейших. Модификация модели Кенела, предложенаня Л. И. Ггонтер и Б. С. Запруд- ским (НИИКВОВ АХК им. К. Д. Памфилова), заключается в том, что концентрация бактерий в иле учитывается не прямым, а косвенным путем через величину дегидрогеназной активности ила (ДАИ), которая пс их исследованиям оказалась пропорциональной концентрации бактерий. Кроме того, для упрощения учета простейших ими предложено считать биомассу по разности беззольнон массы активного ила и концентрации бактерий. Математическая модель процесса очистки включает три дифференциальных уравнения — снижения БПК, прироста биомассы и изменения дегидрогеназной активности ила. 178
При наличии в сточных водах токсичных веществ кинетика ферментативных реакций может существенно отличаться от кинетики по классическому уравнению Михаэлиса — Ментен. Причиной снижения скорости реакций в присутствии ингибирующих веществ является взаимодействие ингибитора с ферментом. Скорость ферментативной реакции в присутствии так называемого конкурентного ингибитора может быть выражена уравнением E.20) где / — коэффициент ингибирования продуктами распада активного пла, г/г, равный для городских сточных вод 0,07; Л'«4—константа ингибирования, г/г. В опытах показана также роль молекулярного кислорода в метаболизме клетки. Она чрезвычайно велика, так как является одним из важнейших компонентов процесса, снабжающих микроорганизмы энергией и материалами для биосинтеза. Благодаря сокращению окисления и фосфолирования кислород оказывает влияние на энергетическом уровне практически на пчотекание в клетке всех процессов, которые катализируются ферментами. Поскольку в процессе окисления участвуют субстрат и кислород, то уравнения всегда должны иметь вид бисубстратной ферментативной реакции. Конкретный вид этого уравнения установлен после соответствующего анализа экспериментальных исследований, проведенных во ВНИИ ВОДГЕО: v= ksck+ks+sc„ ¦ ( где і>макс—удельная скорость окисления загрузки, мг/(г-ч); S — концентрация загрязнений, мг/л; Сл — концентрация растворенного кислорода, мг/л; Кц, К — константы, характеризующие влияние концентрации соответственно загрязнений и кислорода. С учетом влияния концентрации загрязнений, кислорода, а также дозы ила кинетическое уравнение примет вид: E.206) 4- фа / где ф — коэффициент использования, мг/л; а — концентрация ила, г/л. Математическая модель процесса биологической очистки в аэротен- ках, предложенная И. В. Скирдовым, включает систему кинетических уравнений, которыми описаны следующие явления: сорбции субстрата активным илом (по уравнению Ленгмюра), скорости роста биомассы с учетом влияния концентрации кислорода и микроорганизмов, скорости образования продуктов окисления, скорости потребления субстрата на поддержание жизнедеятельности (энергетический обмен), скорости отмирания бактерий, скоростей образования автолизата и инертной части биомассы ила. Упомянутые здесь исследования свидетельствуют о сложности решения, проблемы построения математической модели процесса биологической очистки сточных вод. Эти модели были разработаны в основном по результатам экспериментов в лабораторных условиях, и применимость их к реальному расчету и проектированию требует всесторонней проверки по условиям работы натурных сооружений. Отметим также, что модель биологического окисления примесей сточных вод должна отражать сложность и постоянную изменчивость исходного состава обрабатываемых сточных вод