2. Розробка технології очищення стічних вод від шкідливих компонентів

Очистка стічних вод організовується з метою використання ïх в системах оборотного, послідовного чи замкнутого водопостачання, забезпечення умов прийому в міські системи водовідведення чи скиду у водні об’єкти.

Вода, яка використовується в технологічному процесі, містить домішки у вигляді: зважених часток розміром від 0,1 мкм і більше, які утворюють суспензії; нерозчинених у воді крапель іншоï рідини, що утворюють ємульсіï; колоïдних систем з частками розміром від 1мкм до 1нм та розчинених у воді речовин в молекулярній або іонній формі. Домішки, що містяться в технологічній воді, часто являються цінною сировиною або готовою продукцією.

Методи очищення стічних вод розділяються на механічні, фізико-хімічні та біологічні.

Механічні методи очистки забезпечують вилучення з вод, що очищаються, зважених та плаваючих домішок. Найбільш простим способом видалення цих домішок є відстоювання, в процесі якого зважені речовини осідають на дно, а домішки, які плавають, випливають на поверхню відстійників. Відстійники бувають горизонтальні, вертикальні та радіальні.

В горизонтальному відстійнику довжина в 8-12 разів більше його глибини. На підприємстві встановлені відстійники безперервної або періодичноï діï. В відстійниках безперервної дії відділення домішок відбувається завдяки різкому зменшенню швидкості руху, рідини, яка очищається (до 0,005-0,01 м/с). Тривалість проходження рідини через відстійник складає 1-3 години. Ефективність освітлення води – від 40-60%. У відстійниках періодичної дії тривалість відстоювання складає декілька годин, після чого відбувається видалення домішок, які зплили, освітленої води і осаду. Потім процес повторюється.

Глибина (висота) вертикального відстійника в декілька разів перевищує його горизонтальний розмір. Розділення твердої і рідкої фаз відбувається за рахунок зменшення швидкості потоку та зміною його напряму на 180º. Вертикальні відстійники більш компактні, проте їх ефективність на 10-12% нижча, ніж у горизонтальних (Рис. 2.2.).

Рис. 3.2. Вертикальний відстійник

де: 1 – забруднена вода; 2 – очищена вода; 3 – осад.

В конструкції радіального відстійника реалізований принцип дії вертикального та горизонтального відстійників. В центральній його частині відбувається зміна напряму потоку рідини, яка очищається, а від центру до периферії він працює у режимі горизонтального відстійника. Це дозволяє отримувати достатньо компактні спорудження високої продуктивності. Ефективність освітлення у радіальних відстійниках досягає 60%. Глибина їх коливається від 1,5 до 5 м, діаметр – від 15 до 60 м.

Ефективність видалення з води домішок, які плавають, складає 95-96%. Домішки, які зплились, видаляються за допомогою спеціального пристосування і направляються на утилізацію.

Для підвищення ефективності процесу освітлення, до рідини, яка очищається у відстійниках, додають коагулянти – речовини, які при взаємодії з водою утворюють пластівцеподібні частки розміром 0,5-3 мм з розвиненою поверхнею, які володіють також невеликим електричним зарядом. При осіданні ці пластівці захоплюють з рідини зважені та колоїдні частки. В якості коагулянтів застосовують сірчанокислий алюміній, хлорне залізо та ін. Необхідна кількість коагулянтів складає від 40 до 700 кг/м рідини, що очищається. Високі дози відносяться до фізико-хімічної очистки технологічних вод, яка забезпечує видалення хрому та цианідів, а також знебарвлювання води.

Інтенсифікації процесу коагуляції сприяє додавання флокулянтів – речовин, які забезпечують агрегування пластин коагулянтів і тим самим прискорюють їх осідання. В якості флокулянтів застосовують клейкі речовини: крахмал, декстрин, силікатний клей. Дуже ефективним являється синтетичний флокулянт – поліакриламід (ПАА), який широко використовується також при підготовці питної води. Доза використання ПАА коливається від 0,5 до 25 г/м рідини, що очищається. Застосовуються в практиці також інші коагулянти та флокулянти на основі активних полімерів, дози використання яких у десятки разів менші.

Тонкодисперсні частки, які не вдається вилучити за допомогою відстійників, можуть бути видалені за допомогою фільтрування. Процес фільтрування являє собою проходження рідини через пористу перешкоду, на яку осідають дрібнодисперсні частки. В якості фільтруючого шару використовують зернисті матеріали (пісок, гранітна чи мрамурна крихта, керамзит і ін.), тканина та нетканинні полотна (шерстяні, синтетичні, з азбесту, скловолокна і ін.), металічні сітки, перфоровані пластини, пориста кераміка. Для прискорення процесу, фільтрування проводиться під тиском або з допомогою вакууму. Ефективність видалення зважених та емульгованих домішок методом фільтрування досягає 99% і більше.

В гідроциклонах та центрифугах розділення твердої і рідкої фаз відбувається під дією відцентрованих сил.

Для видалення зважених речовин використовуються напірні гідроциклони. Для видалення домішок, що плавають застосовують відкриті гідроциклони. Гідроциклон представляє собою металевий апарат, який складається з циліндричної та конічної частин. Діаметр циліндричної частини – від 100 до 700 мм, висота приблизно рівна діаметру. Кут конусності складає 10-20º.

Всередині апарату знаходяться дві горловини, які направляють потік рідини, вони створені у вигляді винтовоï спіралі. Рідина, яка подається під тиском, рухаючись по спіралі, звільняється від зважених речовин. Частина рідини з великою кількістю домішок видаляється з гідроциклона, освітлена вода під дією створеного вакууму рухається вверх та виливається через верхній отвір. У відкритому (безнапірному) гідроциклоні видалення освітленої води відбувається через бокові отвори, а домішки, що зпливають, видаляються за допомогою сифону. Гідроциклони, у порівнянні з іншими пристроями для механічноï очистки води, відрізняються високою продуктивністю, компактністю, економічні у виготовленні та експлуатаціï. Ефективність очистки від зважених та плаваючих домішок складає приблизно 70%.

Центрифугування являється ефективним методом розділення суспензій і емульсій. Центрифуги виготовляються періодичноï і безперервноï діï з автоматичним вивантаженням осаду і освітленоï рідини (фугату). Під час центрифугування досягається високий рівень зневоднення і отримується відносно чистий фугат. Центрифуги споживають велику кількість електроенергії, створюють високі шумові навантаження і небезпечні в експлуатаціï.

Фізико - хімічні методи очистки забезпечують видалення з води, як правило, розчинених речовин, які погано або зовсім не піддаються біологічній очистці, а також речовин, які можуть чинити негативну дію на колектори та інші елементи систем водовідведення.

Одним з високоефективних методів очистки являється іонний обмін, який представляє собою процес взаємодії рідини, що очищається, з зернистим матеріалом, який володіє здатністю замінювати іони, що знаходяться на поверхні зерен, на іони протилежного заряду, які містяться в розчині.

Іншим універсальним і високоефективним методом очистки вод являється сорбція. Метод сорбційної очистки оснований на адгезії (прилипанні) розчинених речовин поверхнею і порами сорбенту – речовини, яка має розвинену зовнішню і внутрішню (пори) поверхню. Найкращим сорбентом є активоване вугілля. Сорбційними властивостями володіють попіл, шлаки, стружка, коксові крихти, торф, керамзит і ін.

Флотаційна очистка застосовується для видалення з води поверхнево-активних речовин (ПАР). Процес флотації заключається в сорбуванні домішок ПАР, що містяться у воді, поверхнею бульбашок кисню, який подається в рідину, що очищається. В практиці очищення води використовуються напірні, безнапірні, вакуумні та електрофлотаційні установки. Найбільшого розповсюдження здобули напірні установки, в яких вода спочатку насичується повітрям під тиском, а потім подається у відкритий резервуар, де відбувається виділення бульбашок та сорбування ними домішок, які містяться у воді. Інколи стиснене повітря подається в нижній шар рідини, яка знаходиться в резервуарі (флотаторі). Для підвищення ефективності очистки, повітря подається через пористі пластини. При вакуумній флотації у флотаторі створюється розрядження, яке сприяє утворенню бульбашок повітря. Підвищенню ефективності очистки вод при флотації сприяє наявність синтетичних поверхнево-активних речовин (СПАВ). Утворена ними густа стійка піна підвищує степінь вилучення з води емульгованих і диспергованих домішок. При флотації одночасно відбувається дегазація вод, що очищуються і насичення їх киснем. При електрофлотації утворення бульбашок газу відбувається внаслідок електролізу води. На аноді виділяється кисень, на катоді – водень. Проте цей метод потребує значних витрат енергії.

Біологічні методи очистки

Іригаційні поля. Коли існує необхідність очистки стічних вод, площа, яка відводиться для цього порівняно невелика, застосовують іригаційне зрошення полів. Якщо головна мета поливу великих масивів – у використанні стічних вод для підвищення врожайності, то головна мета іригації – очищення стічних вод. Іригація полягає у зволоженні добре фільтруючих і повітропроникних грунтів, які забезпечують високий ступінь очистки стічних вод. В залежності від рівня грунтових вод поля можуть бути дреновані чи недриновані.

Поля фільтрації (грунтові фільтри). Якщо відведена площа невелика, але з добре фільтруючим грунтом, то на ній доцільне закладення полів фільтрації. Головною метою, яка ставиться при закладенні даних полів, є очистка стічних вод без послідуючого використання їх сільському господарстві. Цей процес заключається в періодичному заливі фільтруючих грунтів визначеною кількістю стічних вод. Просочуючись крізь грунт, стічні води піддаються високоефективній очистці, яка за БСК досягає 90%.

Площа, призначена для будування полів фільтрації, ділиться на ряд дренованих ділянок (карт) по 0,25 - 0,4 га, що загороджуються валами, в які закладаються трубопроводи, по яких підводяться стічні води. Дренажні ходи діаметром 8 - 10 мм закладають на глибині 1,0 - 1,5 м з різницею 5 - 10 м. По поверхні ділянок стічні води розподіляють за допомогою дерев’яних жолобів.

Поля фільтрації періодично заливають шаром стічних вод певної висоти, яка зазвичай складає 5-10 см.

Біологічні ставки. В біологічних ставках очищують стічні води, що не містять речовин, які чинять токсичну дію на живі організми, а також сирі (неочищені) стічні води після попереднього видалення з них завислих речовин. Ставки можуть бути використанні в якості окислювальних при одноступеневому процесі очистки і в якості другої чи третьої стадії очистки при звичайному ступінчатому анаеробно-аеробному процесі.

Процес очистки стічних вод у ставках відбувається за рахунок взаємодії водоростей та бактерій. Бактерії розкладають органічні речовини, які присутні у стічних водах, на амонійні і фосфорнокислі солі, двоокис нітрогену та воду. Продукти бактеріального обміну речовин використовуються водоростями для створення біомаси і процесів життєдіяльності. Під дією сонячного світла водорості виділяють кисень, який бактерії, в свою чергу, використовують для аеробного окислювального розкладу органічних сполук, які містяться у стічних водах. Забруднені речовини піддаються мінералізації і втрачають свої шкідливі властивості.

Проте надлишкова кількість бактерій та водоростей може призвести до вторинного забруднення. В природних умовах їх поїдають інфузорії, черви та молюски, які, в свою чергу, є кормом для риб.

Існує два види біологічних ставків: для очистки стічних вод в анаеробних і аеробних умовах. Перший вид може бути застосовується лише на територіях, які розміщенні на значній відстані від населених пунктів, оскільки процес розкладу в анаеробних умовах супроводжується виділенням неприємного запаху. Ставки другого типу можна розташовувати скрізь, де дозволяють умови, тому саме вони використовуються підприємством.

Біологічні фільтри. Це устаткування для штучної біологічної очистки стічних вод. Спочатку вони з’явилися як більш вдосконалена форма полів фільтрації і грунтових фільтрів.

Процеси, що відбуваються у біологічних фільтрах, в загальному можна визначити як окислення забруднених стічних вод киснем за участі мікроорганізмів, які створюють біологічну плівку на поверхні матеріалу – наповнювача фільтрів. Суть цих процесів полягає в безспосередньому ферментативному окисленні органічних речовин, що містяться у стічних водах, а також синтезі клітин иікроорганізмів. Умовою роботи фільтра є забезпечення контакту стічних вод з біологічною плівкою та наявність необхідного повітряного потоку через фільтруючий шар.

Біологічний фільтр складається з шару подрібненого каменю (щебеню), шлаку, коксу чи іншого матеріалу, що накладається на основу з цегли. Для полегшення доступу повітря, при спорудженні біологічних фільтрів, під їх основою залишають отвори. Площа розрізу цих отворів в сумі повинна складати близько 1% поверхні розрізу фільтра. Стічні води розподіляються по поверхні за допомогою зрошувального пристрою і стікають по наповнювачі фільтра через його основу на дно, що має нахил в бік спільного каналу.

В перший період зрошення фільтруючого шару стічними водами відбувається їх часткове окислення, що дає мінімальний ефект очистки. Однак на наповнювачі фільтра осідають мікроорганізми, найпростіші, личинки мошок Psychoda, водорості та гриби та утворюють біологічну плівку. Час, необхідний для того, щоб на матеріалі-наповнювачі утворилася плівка товщиною 1-2 мм, називається періодом дозрівання або адаптації фільтра і складає приблизно 50 днів.

Ефект очистки стічних вод на фільтрах залежить від багатьох факторів: можливості розвитку в даних умовах мікроорганізмів; доступу повітря; рівномірності оформлення фільтруючого шару; тривалості взаємодії стічних вод з фільтруючим шаром; температури стічних вод та оточуючої атмосфери та ін.