Очистка сточный вод

Введение

Проблема охраны окружающей среды на сегодняшний день требует ускоренного внедрения высокоэффективных систем защиты водоемов от загрязнений.
Сброс загрязненных сточных вод в поверхностные объекты и подземные водоносные горизонты является очень распространенной практикой, пагубно влияющей на состояние окружающей среды.
Недостаточная степень очистки сточных вод ограничивает возможности использования их для технического водоснабжения промышленных предприятий и сельскохозяйственных объектов, а загрязнение водоема, в который производится сброс сточных вод, отрицательно сказывается на жизнедеятельности гидробионтов.
Таким образом, важной задачей при проектировании или модернизации очистных сооружений является решение вопросов повышения эффективности работы сооружений по очистке сточных вод, способствующих охране водных источников от загрязнения и истощения.

1. Сточные воды и их классификация
Сточные воды представляют собой совокупность различных по происхождению, составу и физико-химическим свойствам воды, образующиеся в процессе хозяйственной и производственной деятельности человека. При этом вода загрязняется, и ее физико-химические свойства меняются. Сточные воды разнообразны по составу и, следовательно, по своим свойствам.
В зависимости от их происхождения различают три основные категории сточных вод:
- хозяйственно-бытовые;
- производственные;
- атмосферные.
Образование производственных сточных вод происходит в процессе производства тех или иных товаров, продукции, технологических операций и т.д. Качественный и количественный состав таких сточных вод достаточно разнообразен, что в свою очередь зависит от применяемого сырья и технологических процессов.
Загрязнения, характерные для производственных сточных вод, условно разделяют на пять категорий:
- биологически нестойкие органические соединения;
- малотоксичные органические соли;
- нефтепродукты;
- биогенные соединения;
- вещества со специфическими токсичными свойствами, в том числе тяжелые металлы, а также неразлагающиеся биологически жесткие органические синтетические соединения.
Таким образом, сброс сточных вод в систему городской канализации требует их предварительной очистки и регламентируется правилами приёма производственных сточных вод в системы канализации населенных пунктов.
Разнообразие промышленных сточных вод и находящихся в них примесей значительно усложняет выбор оптимального выбора очистки воды. Промышленные воды имеют ряд специфических особенностей:
- неравномерность поступления сточных вод по расходу и концентрации;
- присутствие трудноокисляемых токсичных примесей, а также специфических веществ, ингибирующих процессы очистки;
- присутствие сильно концентрированных или слабоконцентрированных загрязнений, преимущественно органического происхождения;
- высокая неравномерность температуры [1].
Для упрощения выбора технологии очистки предлагается использовать классификацию методов водообработки.
В качестве определяющих признаков при составлении классификаций чаще всего используют физико-химическую основу методов очистки воды, характер сил, воздействующих на примеси, характер подлежащих удалению примесей, изменение состояния примесей в процессе их очистки.
Также при выборе методов очистки сточных вод очень важно учитывать возможность максимального извлечения ценных продуктов и обеспечения максимального использования воды до и после очистки в технологическом процессе и в системе водооборота.
Очистка сточных вод осуществляется механическими, физико-химическими, химическими, а также биологическими методами [2].
Как правило, обеспечение процесса очистки сточных вод в случае с хозяйственно-бытовыми сточными водами осуществляется на станциях аэрации - канализационных очистных сооружениях, представляющих собой комплекс сооружений и аппаратов для обеспечения полной биологической очистки сточных вод.
Очистка производственных сточных вод обеспечивается на производственных очистных сооружениях, состав которых несколько отличается от представленных на станциях аэрации и зависит от преобладающих в сточных водах загрязнениях.
2. Нормативные показатели качества воды
Качество воды оценивается: комплексом разнообразных показателей, определяющих те или иные ее свойства.
По своему назначению водные источники делятся на рыбохозяйственные, хозяйственно-бытовые и культурно-бытовые.
В соответствии с "Правилами охраны поверхностных вод от загрязнений сточными водами" для каждой категории водопользования установлены нормативы качества воды (табл.1).
Также Правила устанавливают нормативы качества воды водоёмов по следующим двум категориям водопользования: к первой категории относятся участки водоёмов, используемые в качестве источников для централизованного или нецентрализованного водоснабжения, а также водоснабжения предприятий пищевой промышленности. Ко второй - участки водоёмов, используемых для спорта и отдыха населения [3].


Таблица 1 - Показатели качества воды по классам при водопользовании
Определяемые показатели Показатели качества воды по классам

1-й 2-й 3-й
I. Подземные источники
Мутность, мг/л 1,5 1,5 10
Цветность, град 20 20 50
Водородный показатель рН
6-9 6-9 6-9
Железо, мг/л 0,3 10 20
Марганец, мгл
0,1 1 2
Сероводород, мг/л 0 3 10
Фтор, мг/л 1,5-0,7 1,5-0,7 5
Окисляемость перманганатная, мг/л О2 2 5 15
Число бактерий группы кишечной палочки (БГКП), количество в 1л 3 100 1000
II. Поверхностные источники
Мутность, мг/л 20 1500 10000
Цветность, град 35 120 200
Водородный показатель рН
6,5-8,5 6,5-8,5 6,5-8,5
Железо, мг/л 1 3 5
Марганец, мгл
0,1 1 2
Фитопланктон, мгл
1 5 50
Клостридии, количество в 1 см3 1000 100000 100000
Окисляемость перманганатная, мг/л О2 7 15 20
БПКполн, мг/л 3 5 7
Число лактозо-положительных кишечных палочек (ЛКП), количество в 1 л 1000 10000 50

Таким образом, важной задачей при выпуске сточных вод в водоём является учет категории водного объекта, а также ПДК загрязняющих веществ, содержащихся в стоках.
Общие требования к составу и свойствам воды в водоёмах и водотоках соответствующих категорий после выпуска в них сточных вод, подвергшихся необходимой очистке представлены в табл. 2.
Таблица 2 - Допустимые изменения состава воды в водоёмах и водотоках после выпуска в них очищенных сточных вод
Показатели состава и свойств воды в водоёме после выпуска сточных вод Требования к составу и свойствам воды в водоёме

Категории хозяйственно-питьевого и культурно- бытового назначения Категории рыбохозйственного назначения

I II I II
Содержание взвешенных веществ Допускается увеличение не боле чем на

0,25 мг/л 0,75 мг/л 0,25 мг/л 0,75 мг/л

Для водоемов, содержащих в межень более 30 мг/дм3 природных минеральных веществ, допускается увеличение содержания взвешенных веществ в воде в пределах 5%.
Пленки нефтепродуктов, масел, жиров и других плавающих примесей Не допускается
Запахи, привкусы и окраска Допускаются запахи и привкусы интенсивностью не более 2 баллов (непосредственно или после хлорирования воды). Окраска не должна обнаруживаться в столбике воды высотой:

Посторонние запахи, привкусы и окраска воды, влияющие на мясо рыб не допускаются

20 см 10 см
Температура воды Допускается повышение температуры воды не более чем на 3ºС по отношению к среднемесячной температуре самого жаркого месяца Допускается повышение не более чем на 5ºС к естественной температуре воды (при наличии холодноводных рыб общая температура воды не должна превышать 20ºС летом и 5ºС зимой; в остальных случаях - 28ºС и 8ºС соответственно).
Минеральный состав воды Сухой остаток должен быть не более 1000 мг/л ( в т.ч. хлориды до 300 мг/л и сульфаты до 100 мг/л). Не нормируется
Водородный показатель Не должен выходить за пределы 6,5-8,5
Наличие растворенного кислорода не менее 4 мг/л не более 6 мг/л зимой под льдом - не менее 4 мг/л; летом - не менее 6 мг/л
БПКполн при 20ºС Не должна превышать

3 мг/л 6 мг/л 3 мг/л
ХПК 15 мг О2/дм3 30 мг О2/дм3 15 мг О2/дм3
Возбудители заболеваний Не допускается (после обеззараживания биологически очищенных вод коли-индекс не должен превышать 1000 при содержании остаточного хлора 1,5 мг/л) -
Токсичные вещества Не допускается в концентрациях, способных оказывать прямое или косвенное воздействие на живые организмы


3. Обзор методов очистки сточных вод
Выделяют два основных пути очистки сточных вод: разбавление сточных вод и очистка их от загрязнений. Разбавление представляет собой паллиативную меру, которая не ликвидирует воздействия сточных вод, а лишь ослабляет его на локальном участке водоема. Основной путь-очистка сточных вод от загрязнений.
Для очистки сточных вод применяются механические, физико-химические, биологические, биохимические и термические методы. По своей сути эти методы могут быть рекуперационными и деструктивными. Первые предусматривают извлечение из сточных вод всех ценных веществ и последующую их переработку, а вторые - разрушение загрязняющих веществ путем их окисления или восстановления, в результате чего образуются газы или осадки [1].
Таблица 3 – Классификация методов защиты водных объектов от загрязнения сточными водами
Методы очистки Процессы
Механическая Процеживание, отстаивание, фильтрование, центробежные процессы
Физико-химическая Коагуляция, флотация, ионный обмен, экстракция, сорбция, обратный осмос, электрохимические
Химическая Окисление, нейтрализация,
Термическая Огневое обезвреживание, жидкофазное окисление
Биологическая Биологическое разложение, биохимическое окисление

3.1 Механический метод очистки
Сущность данного метода заключается в удалении из сточных вод путем отстаивания и фильтрации механических примесей

. Как правило, к группу методов механической очистки включают: процеживание, отстаивание, осветление во взвешенном слое осадка, фильтрование, центробежные методы.
Процеживание способствует задержанию наиболее крупных загрязнений и частично взвешенных веществ на решетках и ситах.
Отстаивание заключается в выделении из сточных вод взвешенных веществ под действием силы тяжести на песколовках (для выделения минеральных примесей), отстойниках (для задержания более мелких оседающих и всплывающих примесей), а также нефтеловушках, масло- и смолоуловителях. Разновидностью этого метода является центробежное отстаивание, используемое в гидроциклонах и центрифугах [1].
Под фильтрованием понимают задержание очень мелкой суспензии во взвешенном состоянии на сетчатых и зернистых фильтрах.
В состав сооружений механической очистки входят:
- решетки и сита;
- песколовки;
- отстойники;
- осветлители со взвешенным слоем осадка;
- гидроциклоны;
- центрифуги;
- фильтры.
Прежде всего для регулирования колебаний расходов иконцентраций загрязнений сточных вод применяют усреднители. Ониобеспечивают равномерное поступление сточных вод и концентрацийзагрязнений, а также эффективную и экономичную технологию их очистки.
Метод очистки сточных вод от взвешенных веществ выбирается с учетом кинетики процесса, исходя из размера частиц. В том случае, когда частицы достаточно велики (>30 мкм), то в соответствии с законом Стокса, они могут легко выделяться из воды отстаиванием или фильтрованием. Для более мелких частиц нужны более действующие методы. Выделение коллоидных частиц осуществляется за счёт применения коагуляции и осветлителей со взвешенным слоем осадка [2].
Стоит отметить, что применение механического метода достаточно только при промышленном оборотном водоснабжении отдельных производств. Данный метод в основном служит лишь для подготовки сточных вод к обработке другими методами. При этом загрязненные воды осветляются на 30-60%, что существенно облегчает дальнейшие стадии очистки.
3.2 Физико-химические методы очистки сточных вод
После предварительной очистки воды от взвешенных веществ с помощью сооружений механической очистки сточные воды направляются на очистку физико-химическими методами.
Главным условием применения физико-химические процессов очистки сточных вод является источник внешней энергии. Для их осуществления используют разнообразные виды энергии: электрическую, химическую, тепловую, механическую и др. Однако это в свою очередь увеличивает затраты на очистку воды [3].
Применение физико-химических методов способствует удалению из сточных вод тонкодисперсных взвешенных и коллоидных частиц (коагуляция, флокуляция, флотация), растворимых газов (десорбция), минеральных диссоциированных в воде примесей (ионный обмен, обратный осмос, выпаривание, кристаллизация), органических растворенных веществ (адсорбция, ректификация, экстракция, ультрафильтрация, первапорация, эвапорация).
Интенсификация очистки сточных вод достигается за счёт применения процессов коагуляции. В качестве коагулянтов широко применяются соли железа, алюминия, а также их смеси. Коагуляция представляет собой процесс укрупнения мельчайших коллоидных и диспергированных веществ при их столкновении, происходящий вследствие их взаимного слипания под действием сил молекулярного притяжения и химического сродства. Завершается этот процесс отделения агрегатов слипшихся частиц от жидкой фазы, как правило, осаждением.
Применение коагулянтов связано с трудностью регулирования технологического режима работы очистных сооружений в условиях постоянно меняющегося качества воды. Для стабилизации и интенсификации процессов очистки воды с помощью коагулянтов к последним добавляют специальные вещества - флокулянты. Наибольшее распространение в качестве флокулянта получил полиакриламид (ПАА).
Для выделения из воды нефтепродуктов, жиров, смол, масел, лакокрасочных материалов применяют метод флотации. Метод флотационной очистки основан на способности загрязняющих веществ при определенных условиях закрепляться на границе раздела фаз «жидкость-газ». При этом происходит концентрирование частиц в образовавшемся пенном слое, после чего эта пена удаляется с поверхности воды.
Различают следующие способы флотации:
- флотация с выделением воздуха из раствора;
- с механическим диспергированием воздуха;
- с пропусканием воздуха через пористые пластины;
- химическая флотация.
Наибольшее распространение получила флотация с механическим диспергированием воздуха, осуществляющаяся в импеллерных машинах.
Очистка сточных вод от растворенных в них солей или металлов осуществляется с помощью ионного обмена. Ионный обмен представляет собой процесс взаимодействия сточной воды с твердой фазой, обладающей способностью обменивать присутствующие в ней ионы на другие ионы, содержащиеся в сточной воде [1].
Процесс ионного обмена проводят в ионообменных открытых (безнапорных) и закрытых (напорных) фильтрах.
Для выделения загрязнителей из воды очень часто применяют сорбционные методы. Наибольшее распространение получил метод адсорбции, заключающийся в поглощении загрязнителя твердым сорбентом. Эффективность адсорбции веществ из водных растворов зависит от химической природы поверхности, её величины и доступности, а также химического строения извлекаемого компонента и его состояния в растворе в присутствии сильных электролитов. Широкое распространение в качестве адсорбентов получили активированные угли за счёт их развитой поверхности и гидрофобности. Именно слабое взаимодействие адсорбентов с молекулами воды при высокой энергии взаимодействия с молекулами извлекаемых примесей является гарантией высокой эффективности процессов адсорбции.
Метод адсорбции применяется для выделения из сточных вод ароматических нитросоединений, фенолов, красителей, гербицидов, ПАВ и др. Достоинство данного метода заключается в его высокой эффективности, а также возможности очистки сточных вод, которые содержат сразу несколько веществ, а также рекуперации этих веществ.
Еще одним способом физико-химической очистки сточных вод является экстракция. Экстракция представляет собой распределение загрязнений в смеси взаимонерастворенной жидкости. В процессе экстракции в сточные воды вводят экстрагент, нерастворяющийся в жидкости, но растворяющий в себе экстрагируемое вещество.
3.3 Методы электрохимической очистки сточных вод
Электрохимическая очистка сточных вод основана на использовании электрической энергии при проведении процессов электролиза водных растворов электролитов. Устройства, в которых проводятся процессы электролиза называются электролизерами.
В зависимости от протекающего процесса электролизы делятся на электрофлотаторы, электрокоагуляторы, электролизеры для проведения окислительно-восстановительных реакций и электродиализаторы.
Принцип действия электрофлотаторов основан на флотировании загрязняющих веществ пузырьками водорода и кислорода, выделяющихся на электродах в процессе электролиза. Под действием электрического тока на аноде происходит процесс окисления воды, сопровождающийся выделением кислорода, на катоде - с выделением водорода. Размер пузырьков газа определяется природой и формой электродов, а также плотностью тока и температурой процесса. Электрофлотацию применяют для разрушения эмульсий от нефтепродуктов, масел, смол, жиров и т.д.
Процессы электрокоагуляции проводят в электрокоагуляторах применяемый для очистки сточных вод от взвешенных частиц и коллоидно-дисперсных систем, ионов цветных металлов и, особенно, хрома.
При электролизе сточных вод с использованием анодов из листовой стали или алюминия вода обогащается соответствующими ионами, которые затем образуют гидроксиды этих металлов. Под их действием происходит процесс коагуляции содержащихся в воде высокодисперсных веществ, аналогичный процессу обработки воды соответствующими солями алюминия и железа.
Электродиализ применяют для очистки вод от растворенных солей. Он основан на разделении ионизированных веществ под действием электродвижущей силы, возникающей в растворе по обе стороны от мембраны. Процесс проводят в электродиализаторах. В них под действием электрического тока происходит диссоциация молекул соли в воде и дальнейшее их перемещение к противоположно заряженным электронам. На аноде выделяется кислород и образуется кислота, на катоде - водород и образуется щелочь [2].
3.4 Химические методы очистки сточных вод
Помимо физико-химических методов в практике водоочистки применяются химические метод. Их, прежде всего, применяют для удаления растворимых веществ в замкнутых системах водоснабжения, а также иногда и для дополнительной очистки сточных вод до или после биологической очистки. Чаще всего благодаря химической очистки удаляют ионы тяжелых металлов. В основе химических методов очистки лежат процессы нейтрализации, окисления и восстановления.
Сточные воды, содержащие минеральные кислоты или щелочи перед сбросом в водоёмы или перед технологическим процессом поддают процессу нейтрализации.
Нейтрализацию проводят:
- путем смешивания сточных вод с разной величиной рН;
- добавлением реагентов;
- абсорбцией кислых газов;
- щелочными водами;
- абсорбцией аммиака кислыми водами.
Некоторые категории промышленных сточных вод содержат специфические загрязнения, которые невозможно удалить вышеупомянутыми методами. В этих случаях применяют химические методы, основными из которых являются:
1) реагентное окисление;
2) окисление с применением технического кислорода;
3) окисления с применением озона;
4) электрохимическое окисление