Сущность процессов, используемых при очистке хбсв.

1. Сравнение существующих способов очистки.

Очистка сточных вод производится с целью снижения концентраций загрязнений, сбрасываемых в водоем, в пределах, ограничиваемых санитарно-гигиеническими нормативами. Критерии очистки сточных вод следует определять на основании самоочищающей способности водоема. Биологическая очистка осуществляется на биофильтрах или аэротенках. Физико-химическая очистка выполняется коагулированием бытовых сточных вод химическими реагентами с последующим отстаиванием и фильтрованием через зернистую загрузку. Качество бытовых сточных вод, после физико-химической и биологической очистки отличается незначительно по ХПК и БПК_полн. Значительное различие отмечается по аммонийному азоту, фосфатам, ПАВ и взвешенным веществам. Показатели состава сточных вод до и после биологической и физико-химической очистки приведены в таблице 4. [4]

Таблица 4

Название	Взвеш. в-ва, мг/л	ХПК, мг/л	БПКполн, мг/л	Аммонийный азот, мг/л	Фосфаты, мг/л	ПАВ, мг/л
Исходная вода	130-450	<550	90-350	5-50	6-30	4-15
После биохимич. очистки	15-25	75-110	10-20	2-20	15-20	1,5-3,0
После физико-химич. очистки	3-15	46-109	10-25	18-30	0,6-2,2	0,5-0,8

2. Физико-химические методы

Химическое окисление

Удаление из сточных вод остаточных растворенных органических загрязнений может осуществляться с помощью сильных окислителей - озона, хлора, перманганата калия и др.

Озон, являясь сильным окислителем, обладает способностью разрушать в вод­ных растворах при нормальной температуре многие органические вещества.

При озонировании окисляются многие устойчивые к биологическому разруше­нию органические вещества, в том числе "биологически жесткие" ПАВ. Наиболее ин­тенсивно окисление ПАВ протекает при высоком значении рН и повышенной темпера­туре.

С уменьшением концентрации ПАВ в растворе снижается скорость их окисления и особенно резко при концентрации, при которой прекращается пенообразование. При озонировании окисляются как растворенные, так и взвешенные органические вещества, присутствующие в сточной воде. Так как взвешенные вещества можно уда­лить из воды более простыми техническими средствами, для снижения расхода озона целесообразно применять озонирование на завершающей стадии глубокой очистки сточных вод после максимального удаления из воды взвесей.

По сравнению с другими окислителями (например, хлором) озон имеет ряд преимуществ: его можно получать непосредственно на очистных сооружениях, причем сырьем для его получения служит технический кислород или атмосферный воздух, процесс легко поддается автоматизации.

Озонирование, несмотря на относительно высокую стоимость обработки сточ­ных вод, привлекает в первую очередь высокой реакционной способностью, сильным бактерицидным действием, возможностью получения озона на месте, отсутствием в озонируемой воде остаточных концентрациий озона, который, будучи нестойким со­единением, быстро переходит в кислород.

Поэтому озон является перспективным окислителем в технологии глубокой очистки сточных вод.

Окисление органических загрязнений активным хлором в качестве самостоя­тельного метода не может быть рекомендовано из-за образования токсических и кан­церогенных хлорорганических соединений. [1]

Сорбция

Адсорбция, т.е. поглощение загрязнений поверхностью твердого тела, осу­ществляется за счет диффузии молекул органических веществ через жидкостную пленку, окружающую частицы адсорбента, к его поверхности при перемешивании жидкости и далее внутренней диффузии молекул, скорость которой определяется строением ад­сорбента и размером молекул сорбируемого вещества. Сорбцию экономически целесо­образно применять при низких концентрациях загрязнений, т.е. на стадии глубокой очистки. В этом случае в процессе сорбции можно получить близкие к нулевым кон­центрации остаточных загрязнений.

На скорость и эффективность адсорбции влияет структура сорбента, химиче­ская природа и концентрация загрязнений, температура, активная реакция среды. При повышении температуры степень адсорбции снижается, несмотря на увеличение скорости диффузии; снижение величины рН вызывает увеличение сорбции органиче­ских веществ сточных вод; с помощью сорбции можно извлекать из воды биологиче­ски стойкие органические вещества.

Лучшими сорбентами для удаления из воды растворенных органических ве­ществ являются активные угли различных марок, эффективность которых определяется наличием в них микропор.

Суммарный объем микропор активного угля является его основной характери­стикой, которая должна приводиться для каждой марки активного угля. Интересно, что активные угли в первую очередь адсорбируют органические вещества неприродно­го происхождения, а именно: фенолы, спирты, эфиры, кетоны, нефтепродукты, амины, "жесткие" поверхностно-активные вещества, органические красители, различные хлорамины, Этот метод позволяет на стадии глубокой очистки сточных вод снизить кон­центрацию органических соединений на 90-99%.

При сорбции на уголь не должна поступать вода, содержащая взвешенные и кол­лоидные вещества, экранирующие поры активного угля. Уголь, исчерпавший свою сорбционную способность (емкость) регенерируется или полностью заменяется.

Добавление окислителей (озона или хлора) перед подачей воды на угольные фильтры позволяет увеличить срок службы активного угля до его замены, улучшить качество очищенной воды или проводить очистку от соединений азота. При со­вместном проведении сорбции и озонирования происходит синергический эффект. Озон разрушает макромолекулы, а затем активный уголь сорбирует продукты частич­ного разложения в 1,5-3 раза эффективнее, чем без предварительного окисления. Пред­полагается, что при этом происходит, во-первых, деструкция биологически трудно­окисляемых соединений с образованием окисляемых, в результате чего на угольной за­грузке протекают биологические процессы окисления органических веществ, и, во-вторых, в результате воздействия озона на макромолекулы их молекулярный вес и размеры уменьшаются, и они могут сорбироваться в истинных микропорах активного угля. Комбинация методов озонирования и сорбции позволяет снизить в 2-5 раз расхо­ды и озона и активного угля по сравнению только с сорбцией или только с озонирова­нием, а следовательно, и стоимость очистки.

При хлорировании воды с последующей сорбцией на активном угле происходит удаление аммонийного азота. При хлорировании воды, содержащей аммонийный азот, в зависимости от рН, соотношения дозы активного хлора и концентрации аммо­нийного азота образуется смесь монохлораминов, дихлораминов, треххлористого азота, сорбируемых при фильтрации активным углем, и молекулярного азота, уходя­щего в атмосферу.

Основные параметры процесса: доза хлора 8-12 мг/мг NН₄N в зависимости от содержания органических веществ и конечных продуктов реакции с NH₄-N, скорость фильтрования 5-7 м/ч, время контакта с углем 6-10 минут, оптимальный диапазон рН 7-8, полное перемешивание воды с гипохлоритом натрия. Недостатком способа является увеличение концентрации хлоридов в очищенной воде, особенно при обработке сточ­ных вод с относительно высокой концентрацией аммонийного азота; преимуществом - увеличение срока службы угля до замены или регенерации за счет окисления органи­ческих веществ хлором на пористой поверхности угля, более высокая степень очистки от органических веществ, полное обеззараживание воды, удаление аммонийного азота с превращением в молекулярный азот, уходящий в атмосферу.

При использовании в качестве сорбентов оксидов алюминия, природных минералов, содержащих Са и Mg, можно осуществлять удаление из воды соедине­ний фосфора, эффективность которого иногда доходит до 100%. Однако, этот метод разработан слабо, требуется его изучение и определение технологических параметров процесса.[1]

Коагуляция

Коагуляция - процесс нейтрализации отрицательного заряда коллоидных частиц загрязнений, присутствующих в воде, и образование относительно крупных частиц (хлопьев), способных в осаждению. При обработке воды в качестве коагулянтов ис­пользуются соли алюминия, железа, известь.

При введении в воду солей алюминия или железа переход их в гидроокись осуществляется через ряд промежуточных соединений в результате реакции с гидроксильными ионами и полимеризации. Промежуточные продукты гидролиза оказы­ваются более эффективными для удаления загрязнений, чем конечный продукт. Время существования промежуточных продуктов гидролиза очень мало и не превышает 1 с, поэтому так важно обеспечить интенсивное (быстрое) перемешивание для вступления в контакт с коагулянтом наибольшего количества загрязнений до окончания реакции гидролиза и полимеризации. В практике очистки сточных вод это обеспечивается распределением коагулянта в обрабатываемой воде в зоне наибольшей турбулентности потока при времени быстрого смешения 15-30 с и среднем градиенте скорости 200 с. Последующий процесс хлопьеобразования проходит в течение 20-30 мин. Увеличе­ние продолжительности быстрого смешения приводит к разрушению хлопьев и ухуд­шению эффекта осветления воды. Добавление флокулянтов (водорастворимых органи­ческих полимеров неионогенного, анионного и катионного типов, например, полиакриламида, КФ-91 и пр.) в малых дозах 0,5-1 мг/л увеличивает размеры и прочность хлопьев, что повышает эффективность процесса коагуляции.

Реагентная обработка является в настоящее время основным способом удаления из сточных вод соединений фосфора. При введении традиционных минеральных коагу­лянтов: солей двух- и трехвалентного железа, солей алюминия или извести, которые могут применяться самостоятельно или в сочетании с флокулянтами, растворенные соли ортофосфорной кислоты образуют нерастворимые соединения, которые выпада­ют в осадок. [1]

Фильтрование

Теоретические основы процесса. Извлечение примесей из воды и их закрепление на зернах загрузки происходит под действием сил адгезию. Осадок из задержанных примесей, накопившейся в загрузке, имеет весьма непрочную структуру. Под влиянием гидродинамических сил потока эта структура разрушается, и некоторая часть ранее прилипших частиц отрывается от зерен загрузки в виде мелких хлопьев и переносится в последующие слои загрузки (суффозия), где вновь задерживается в поровых каналах.

Осветление воды в зернистой загрузке – это суммарный результат двух противоположных процессов: процесса адгезии и суффозии. Осветление воды в каждом элементарном слое загрузки происходит до тез пор, пока интенсивность прилипания частиц превышает интенсивность их отрыва. По мере накопления осадка интенсивность отрыва частиц увеличивается.

Рис.1 Кинетика осветления воды фильтрованием через зернистую загрузку

На рисунке показано изменение концентрации взвеси по толщине слоя загрузки. Кривая 1 характерна для начального периода процесса после того, как первые порции фильтрующей воды пройдут через слой загрузки. Она показывает, как изменяется концентрация взвеси в воде по высоте загрузки толщиной Х₀ только под действием сил прилипания. Кривые 2,3,4 показывают, что роль слоев загрузки, расположенных вблизи от поверхности, в осветлении воды уменьшается. Кривая 4 – это предельное насыщение загрузки осадком.

Время, в течение которого загрузка способна осветлять воду до требуемой степени, называется временем защитного действия загрузки.

(2.1)

Уравнение (2.1) – основное уравнение, отражающее специфику процесса фильтрования суспензий, через зернистую нагрузку, где b- параметр фильтрования, определяющий интенсивность прилипания частиц и зависящий от условий фильтрования;  - плотность насыщения загрузки осадком, т. е. массовое количество осадка, накопившееся к данному моменту времени в единице объема элементарного слоя загрузки; - параметр фильтрования, определяющий интенсивность отрыва частиц и зависящий от условий фильтрования;  - скорость фильтрования.

(2.2)

Уравнение (2.2) – уравнение баланса вещества. Оно показывает, что количество вещества, извлеченного слоем Х из воды за единицу времени, равно количеству накопившегося в этом слое вещества за тот же промежуток времени. [5]

Для удаления взвешенных веществ и БПКполн. до 6-8 мг/л после биологической очистки в стандартных аэротенках широко применяются фильтры с зернистой загруз­кой. В них не допускается развитие микробиологических процессов и содержание сое­динений азота и фосфора не изменяется.

Фильтр представляет собой резервуар, загруженный зернистым материалом, через который вода просачивается сверху вниз или снизу вверх. Распределение воды по поверхности перед фильтрованием и сбор фильтрованной воды должны быть рав­номерными.

В качестве зернистой загрузки используется, как правило, кварцевый песок диа­метром 1,2-2 мм слоем 1,2-1,3 м, скорость фильтрации воды 6-8 м/ч. При накоплении в теле фильтра загрязняющих веществ подача воды на очистку прекращается и осу­ществляется водовоздушная промывка.

В настоящее время в России применяются фильтры с различными загрузками (двухслойная, каркасно-засыпная, плавающая из пластмассовой крошки, из мелкого щебня и др.). Показатели работы фильтров мало различаются, их выбор должен опре­деляться конкретными условиями применения - располагаемым остаточным напором воды, высотой конструкций зданий, степенью неравномерности притока сточной воды и т.п. [1]