Глава 6. Процессы и аппараты для глубокой очистки (доочистки) сточных вод.

В большинстве случаев сточные воды после очистки могут быть использованы для технического водоснабжения. Иногда допускается выпуск в водоем воды после биологической очистки с БПК_полн = 15…20 мг/л и примерно с таким же количеством взвешенных веществ. Эти показатели являются практически предельно достижимыми на современных очистных сооружениях биологической очистки. Однако при спуске сточных вод в водоемы, имеющие большое народнохозяйственное и особенно рыбохозяйственное значение, требования к качеству очищенной воды повышаются. Такие высокие требования не достигаются при применении существующих сооружений биологической очистки сточных вод.

Содержащиеся в биологически очищенных сточных водах суспензированные частицы активного ила, остаточные органические загрязнения (выражаемые БПК_полн и ХПК), ПАВ, биогенные элементы (фосфор и азот) и бактериальные загрязнения оказывают вредное влияние на водоемы, вызывают их эвтрофикацию и создают трудности при повторном использовании воды. В связи с этим необходима глубокая очистка производственных сточных вод, предусматривающая:

- уменьшение количества взвешенных веществ в очищенных сточных водах;

- снижение величин БПК, ХПК и содержания ПАВ, фосфора и азота;

- обеззараживание сточных вод;

- насыщение очищенных сточных вод кислородом при спуске их в водоемы рыбохозяйственного значения.

В результате глубокой очистки достигается возможность:

- полного повторного использования очищенных сточных вод в технологических процессах на промышленных предприятиях, что позволит сэкономить значительное количество свежей природной воды и особенно воды питьевого качества;

- полной очистки сточных вод с удалением всех вредных веществ перед сбросом их в водоем.

Глубокая очистка сточных вод может исключить попадание азота N и фосфора Р в водоемы, поскольку при механической очистке содержание этих элементов снижается на 8…10%, при биологической — на 35…50 % и при глубокой очистке — на 98…99 %.

Для удаления азота, находящегося в сточных водах в виде свободного аммиака, солей аммония и нитратов, используются следующие методы: отдувка аммиака; удаление нитратов способом ионного обмена, гиперфильтрации, электролиза; восстановление нитратов до молекулярного азота химическим или биологическим способом (денитрификация).

Метод отдувки аммиака основан на подавлении диссоциации гидроксида аммония в сильнощелочной среде с образованием газообразного аммиака, который можно отдуть воздухом при многократном разбрызгивании сточной воды. Эффективность отдувки аммиака составляет около 90%. Аммиак удаляют в дегазаторах с деревянной насадкой или в градирнях.

6.1. Глубокая очистка сточных вод на фильтрах с зернистой и плавающей загрузками.

Процесс глубокой очистки сточных вод на фильтрах с зернистой загрузкой после биологической очистки определяется двумя параллельно протекающими явлениями:

1) задержанием в загрузке суспензированных частиц, вынесенных из вторичных отстойников;

2) минерализацией растворенных в воде органических веществ с помощью накапливающихся в загрузке фильтров микроорганизмов активного ила в присутствии кислорода.

Разработаны установки глубокой очистки сточных вод на фильтрах с песчаной загрузкой пропускной способностью 10, 17 и 25 тыс. м³/сут. В этих установках (рис. 6.1) сточная вода проходит сначала барабанные сетки и затем поступает в приемный резервуар, откуда насосами подается для стабилизации напора во входную камеру. Из нее сточная вода поступает на фильтры с песчаной загрузкой.

Рис. 6.1. Технологическая схема станции доочистки производственных сточных вод с фильтрами:

1 — приемный резервуар; 2 — насосы для подачи сточной воды на фильтровальные сооружения; 3 — барабанные сетки; 4 — фильтры с зернистой загрузкой; 5 — хлораторная установка; 6 — насосная станция для подачи очищенной воды в систему производственного водоснабжения; 7 — резервуар воды для промывки барабанных сеток и фильтров; 8 — резервуар для промывных вод; 9 — насосная станция для подачи воды на промывку и загрязненной воды от промывки в первич­ные отстойники.

Расчетная концентрация загрязнений сточной воды, поступающей на фильтры, по БПК_полн составляет 15 мг/л и по взвешенным веществам — 6…8 мг/л, а прошедшей глубокую очистку по БПК_полн и по взвешенным веществам соответственно 6…8 и 3…5 мг/л. Профильтрованная вода подается в контактные резервуары, где дезинфицируется и после этого может быть использована на производственные нужды.

При проектировании двухслойных фильтров принимаются следующие расчетные параметры: скорость фильтрования до 8,5 м/ч; крупность песчаной загрузки 1…2 мм при эквивалентном диаметре d_экв песка 1,5 мм; крупность загрузки из антрацита = (2…4)d_экв песка; высота слоя песчаной загрузки 0,5…1 м; высота слоя антрацита 0,6… 0,9 м; концентрация взвешенных веществ в исходной воде не более 40 мг/л.

Грязеемкость загрузки двухслойных фильтров при концентрации взвешенных веществ в поступающей на фильтр воде 20…40 мг/л и эффективности осветления 86…90% составляет 4,4…7,7 кг/м³ фильтрующего материала, а продолжительность фильтроцикла 15…34 ч.

Применение загрузки фильтров из гранитного щебня вместо песка позволяет увеличить пропускную способность фильтров в 1,6 раза и повысить их грязеемкость в 1,5…2 раза.

Фильтрующая загрузка из материалов с развитой поверхностью и большой пористостью имеет лучшие фильтрационные параметры по сравнению с кварцевым песком, это увеличивает скорость фильтрования при одинаковой высоте и крупности зерен фильтрующего слоя. Потери напора в загрузке из этих материалов возрастают медленнее, чем в песчаном слое. Применение таких фильтрующих материалов позволяет увеличить пропускную способность фильтровальных сооружений в 1,5 раза. Керамзит и некоторые виды вулканических шлаков, благодаря меньшей плотности по сравнению с песком, могут быть использованы в многослойных фильтрах.

При подаче воды снизу вверх реализуется принцип фильтрования в направлении убывающей крупности зерен загрузки, что улучшает условия работы фильтра, как то: обеспечивается повышенная грязеемкость фильтра, не требуется устройства системы взрыхления верхнего слоя загрузки, увеличивается продолжительность фильтроцикла, используется практически полностью строительный объем фильтра.

Каркасно-засыпные фильтры (КЗФ) являются разновидностью фильтров, в которых используется принцип фильтрования в направлении убывающей крупности зерен (рис. 6.2). Перед этими фильтрами не требуется установка барабанных сеток. Фильтры КЗФ рекомендуется применять для глубокой очистки биологически очищенных сточных вод, а также в установках денитрификации нейтрализованного общего стока промышленных предприятий.

Рис. 6.2. Каркасно-засыпной фильтр (КЗФ):

1 — поддерживающий гравийный слой; 2 — распределительное перфорированное днище; 3 — коллектор для подачи исходной и отвода промывной воды; 4 — подача сжатого воздуха при промывке; 5 — гравий; 6 — песчаная загрузка; 7 — подача промывной воды; 8 – трубопровод отвода очищенной воды (фильтрата).

Загрузка КЗФ состоит из каркаса, в качестве которого используется гравий с крупностью зерен 40…60 мм, и засыпки, состоящей из песка с крупностью зерен 0,8…1,0 мм. Общая высота гравийной загрузки (каркаса) составляет 1,8 м. Для каркаса КЗФ кроме гравия может быть применен также щебень, а для заполнителя кроме песка можно применять гранулированный доменный шлак, керамзит, мраморную крошку, антрацит.

Основные расчетные параметры фильтров КЗФ следующие: скорость фильтрования 10 м/ч, при форсированном режиме допускается увеличение этой скорости до 12 м/ч; при средней концентрации взвешенных веществ в исходной сточной воде 20 мг/л и расчетной скорости фильтрования 10 м/ч продолжительность фильтроцикла составляет 20 ч. Пропускная способность КЗФ рассчитывается на максимальный часовой приток.

Наряду с КЗФ практическое применение получили фильтры с зернистой загрузкой следующих типов: однослойные с нисходящим и восходящим потоками воды, двухслойные, аэрируемые, а также с плавающей загрузкой.

Для глубокой очистки сточных вод фильтрованием применяются песчано-гравийные фильтры с высотой загрузки 3 м. Скорость фильтрования в рабочем режиме 10…12 м/с. Восстановление фильтрующей способности фильтров осуществляется с помощью водовоздушной промывки в три этапа: I этап—продувка воздухом в течение 1,5…2 мин с интенсивностью подачи воздуха 18… 20 л/(с·м²); II этап — совместная водовоздушная промывка в течение 10…12 мин интенсивностью подачи воздуха 18…20 л/(с·м²) и воды 3…3,5 л/(с·м²); III этап — водяная промывка в течение 6…8 мин с интенсивностью 6…7 л/(с·м²). Расход воздуха составляет 0,94…1,05, а промывной воды — 0,314…0,367 м/с. Фильтры промываются фильтрованной водой. Загрязненная промывная вода сбрасывается в резервуар и затем откачивается в головные сооружения станции биологической очистки. Предусматривается оперативная и аварийная сигнализация от всех агрегатов и механизмов на диспетчерский пункт.

Фильтры с плавающей загрузкой (ФПЗ) из вспененного полистирола применяют как для глубокой очистки механически очищенных производственных сточных вод, так и для биологически очищенных сточных вод — городских или их смеси с производственными. Эффективность глубокой очистки на фильтрах с плавающей загрузкой по взвешенным веществам и БПК равнозначна эффективности глубокой очистки на фильтрах с двухслойной зернистой загрузкой.

Схема устройства фильтров типа ФПЗ приведена на рис. 6.3. Исходная сточная вода поступает в пространство над фильтрующей загрузкой, фильтруется через плавающую загрузку сверху вниз в направ­лении убывающей крупности гранул вспененного полистирола. Фильтрат собирается нижней (ФПЗ-3) и средней (ФПЗ-4) дренажными трубами и выводится из фильтра. При ухудшении качества фильтрата загрузка фильтра промывается. Плавающая загрузка регенерируется в нисходящем потоке осветленной воды. Потери напора на фильтрах ФПЗ-3 и ФПЗ-4 принимаются равными 1,5 м. Температура очищенной воды не должна превышать 50°С (во избежание размягчения полимера).

Рис. 6.3. Фильтры с плавающей загрузкой конструкции ФПЗ:

а — ФПЗ-3; б — ФПЗ-4; 1 — корпус; 2 — плавающая загрузка; 3 — подача исходной воды; 4 — карман фильтра; 5 — удерживающая решетка; 6 — нижняя дренажная система; 7 — отвод фильтрата; 8 — отвод промывной воды; 9 — средняя дренажная труба.

Преимущества применения ФПЗ: экономичность установки, простота конструкции и эксплуатации, долговечность фильтрующей загрузки, надежность очистки, отсутствие промывных насосов и емкостей промывной воды, способность загрузки к самостоятельной гидравлической сортировке в процессе промывки по убывающей крупности гранул.

Фильтры с пенополиуретановой загрузкой. Метод фильтрования сточной воды через пенополиуретан заключается в том, что процесс ведется через предварительно сжатую загрузку из этого материала, а ее регенерация производится при двукратном расширении загрузки (рис. 6.7).

Рис. 6.4. Пенополиуретановый фильтр с гранулированной загрузкой для доочистки биологически очищенных сточных вод:

1 — лотки для сбора фильтрата; 2 — кран-балки; 3 — регуляторы скорости фильтрования; 4 — подача промывной воды; 5 — подача исходной воды; 6 — подача воздуха при водовоздушной промывке; 7 — пенополиуретановая гранулированная загрузка; 8 — прижимные перфорированные плиты; 9 — отвод промывной воды.

Фильтр представляет собой железобетонный резервуар, в котором на разных уровнях установлены две дренажные плиты, одна из которых подвижная. К внутренней поверхности плит прикреплен сетчатый каркас с размерами отверстий в сетке менее диаметра гранул пенополиуретана - гранулированного пенополиуретана (ППУ).

Фильтры с загрузкой ППУ применяются для глубокой очистки биологически очищенных сточныд вод с эффективностью очистки по взвешенным веществам 92…93 %, по БПК 50…60 % при исходной концентрации взвешенных веществ 15…35 мг/л. Эти же фильтры могут применяться для очистки сточных вод от нефтепродуктов и масел в неэмульсионном состоянии после очистки сточных вод на песколовках и в нефтеловушках.

Загрузка — гранулированная с размерами гранул 4…6 мм; плотность загрузки 35…40 кг/м³, степень сжатия фильтрующего слоя 15 %, начальная высота слоя 850 мм, фильтрование предусматривается снизу вверх.

Технологические параметры: скорость фильтрования при рабочем режиме 10 м/ч, а при форсированном 12 м/ч; продолжительность фильтро-цикла при рабочем режиме работы 50…60 ч, а при форсированном 17…36 ч. Потери напора к концу фильтроцикла 1,3 м; грязеемкость при рабочем режиме 8,8…17 кг/м³, а при форсированном 6,8…9,6 кг/м³.

Суммарную площадь фильтров F, м², следует определять по формуле

,

где Q_p — расчетный расход на сооружения глубокой очистки сточных вод, м³/сут (при отсутствии регулирующих емкостей перед фильтрами Q_p определяется по максимальному часовому притоку воды); Q_ц — общий циркуляционный расход, в том числе расход воды на промывку фильтров, барабанных сеток и сброс первого фильтрата, м³/сут [для ориентировочных расчетов следует принимать Q_ц = 0,025 Q_p (при п = 1) и Q_ц = 0,05 Q_p (при n = 2)1; n — число промывок одного фильтра в сутки; t—продолжительность простоя одного фильтра во время .промывки, ч; v_p — расчетная скорость фильтрования, м/ч, определяемая по формуле

;

здесь N — общее число фильтров; m — число фильтров, находящихся в ремонте (при N > 20 m = 3; при N < 20 m = 2); v_ф — скорость фильтрования при форсированном режиме, т. е. при максимальном притоке воды и выключении части фильтров на ремонт, м/ч.

Число фильтров N на станции глубокой очистки, принимаемое равным не менее четырех, может быть ориентировочно определено по формуле

.