Если будем продолжать возводить традиционные очистные сооружения, разоримся!

Тип отстойника (вертикальный, радиальный, с вращающимся сборно-распределительным устройством, горизонтальный, двухъярусный и др.) необходимо выбирать с учетом принятой технологической схемы очистки сточных вод и обработки их осадка, производительности сооружений, очередности строительства, числа эксплуатируемых единиц, конфигурации и рельефа площадки, геологических условий, уровня грунтовых вод и т. п.

Число отстойников следует принимать: первичных - не менее двух, вторичных - не менее трех при условии, что все отстойники являются рабочими. При минимальном числе их расчетный объем необходимо увеличивать в 1,2-1,3 раза.

Расчет отстойников, кроме вторичных после биологической очистки, надлежит производить по кинетике выпадения взвешенных веществ с учетом необходимого эффекта осветления.[9]

Мы предлагаем использовать прямоугольные многосекционные отстойники для седиментации очищаемой воды и извлечения дисперсных частиц с размером от 80 мкм и более. По этому условию объем рабочей части отстойника выбираем на 20 минутном пребывании очищаемых стоков, что соответствует эффекту осветления 40%. [9]

Прежде всего, нужно объяснить, почему мы выбрали прямоугольные отстойники. Прямоугольные отстойники более компактные в размещении и хорошо сопрягаются друг с другом, т.е. занимают меньше места. Для примера посмотрите на рис. 6 – сколько свободной площади в черте города можно было бы сэкономить, если бы отстойники были бы прямоугольные! Второе, сопряжение отстойников осуществляется через общую стенку и в этом можно экономить на их строительстве.

Рис. 6. - Отстойники

Необходимо привести общие рекомендации процесса флотации из СНиП 2.04.03-85:

«6.97. Флотационные установки надлежит применять для удаления из воды взвешенных веществ, ПАВ, нефтепродуктов, жиров, масел, смол и других веществ, осаждение которых малоэффективно.

6.98. Флотационные установки также допускается применять:

для удаления загрязняющих веществ из сточных вод перед биологической очисткой;

для отделения активного ила во вторичных отстойниках;

для глубокой очистки биологически очищенных сточных вод;

при физико-химической очистке с применением коагулянтов и флокулянтов;

в схемах повторного использования очищенных вод.

6.99. Напорные, вакуумные, безнапорные, электрофлотационные установки надлежит применять при очистке сточных вод с содержанием взвешенных веществ свыше 100-150 мг/л (с учетом твердой фазы, образующейся при добавлении коагулянтов). При меньшем содержании взвесей для фракционирования в пену ПАВ, нефтепродуктов и др. и для пенной сепарации могут применяться установки импеллерные, пневматические и с диспергированием воздуха через пористые материалы.

6.100. Для осуществления процесса разделения фаз допускается применять прямоугольные (с горизонтальным и вертикальным движением воды) и круглые (с радиальным и вертикальным движением воды) флотокамеры. Объем флотокамер складывается из объемов рабочей зоны (глубина 1,0-3,0 м), зоны формирования и накопления пены (глубина 0,2-1,0 м), зоны осадка (глубина 0,5-1,0 м). Гидравлическая нагрузка - 3-6 ^м3/(м²×ч). Число флотокамер должно быть не менее двух, все камеры рабочие.

6.101. Для повышения степени задержания взвешенных веществ допускается использовать коагулянты и флокулянты. Вид реагента и его доза зависят от физико-химических свойств обрабатываемой воды и требований к качеству очистки» [9].

Из всех видов флотаторов мы предлагаем только один напорный прямоугольный.

Напорный флотатор необходим для задержания дисперсных частиц, которые не выделились в отстойнике, т.е. дисперсные частицы от 15 до 80 мкм. По данным [10] эффективность применения напорной флотации по очистки стоков населенного пунктов составляла 69%, что весьма эффективная и поэтому целесообразна. Очень эффективна очистка напорной флотации от взвешенных веществ 90 - 95%, снизить БПК 40 - 60%, , СПАВ до 80 - 95 % . Достоинство напорной флотации подчеркивает Мацнев А.И. [10, стр. 100,106]: « … в ряде случаев флотация может оказаться единственным приемным методом понижения концентрации растворенных высокомолекулярных соединений… Переводом в пену могут удаляться многие органические вещества: синтетические высокомолекулярные

спирты и эфиры, синтетические жирные кислоты и их соли, нафтеновые кислоты, алкилсульфаты и алкилсульфонаты, алкилмиды и этаноламины, и многие другие продукты органического синтеза. В технологических схемах очистки сточных вод, соответствующих по составу сооружений полной биологической очистке стоков, флотационные установки могут располагаться после первичных отстойников… уменьшение количества бактерий при флотации достигает 90% и более».

Рис. 7. - Растворимость в воде газов (см³/л) при атмосферном давлении:

1 — аммиак; 2 — хлороводород; 3 — сер­нистый газ; 4 — сероводород; 5 — хлор; 6 — углекислый газ; 7 — кислород; 8 — воздух; 9 — азот.

Приведенные значения раствори­мости газов, см³/л воды, при раз­ных температурах (объемы газов приведены к нормальным услови­ям - 0°С и 101 325 Па).

Зависимость растворенного в воде воздуха от давления представлен на рис. 8 [12].

Рассмотрим некоторые разделы теории напорной флотации на примере приведенных графиков и таблиц. Для того чтобы успешно проходила напорная флотация необходимо создать, прежде всего, водовоздушную смесь при определенной температуре и давлении. Размер выделившегося пузырька воздуха можно определить на основании закона Генри

где р_п - парциальное давление воздуха в пузырьке, Е – коэффициент Генри, выбираемый из табл. 2, С – концентрация растворенного воздуха вокруг пузырька. После некоторых

Рис.8. - График зависимости количество растворенного в воде воздуха от времени растворения и давлении, при коэффициенте Генри Е = 0,8 и t = 20˚С

Пересчет в СИ: 1 мм рт. ст. = 133,3 Па

преобразований минимальный размер пузырька воздуха можно определить по формуле:

где (С-С₁) – величина, характеризующая пересыщение раствора; (р – р₁) – перепад давления при насыщении воздуха и дегазации.

Рассмотрим реальную ситуацию с приготовление водовоздушной смеси для напорной флотации. Давление, создаваемое флотационным насосом, равное 4 бар. При этом давлении может раствориться в воде 80 мл/л воздуха, или 8% от объема перекачиваемой воды. С применением эжектора количество воздуха должно быть не более 3,5% - дальше будет кавитация на рабочем колесе флотационного насоса. Первоначальное содержание воздуха при давлении 1 бар равно 20 мл/л или 2%. Таким образом, в воде может быть для флотации лишь 3,5% - 2 % = 1,5 % пересыщенного воздуха от объема очищаемой воды для проведения напорной флотации. Наше предложение, по заявке на изобретение №а 2008 14435, заключается в возможности насыщения воздухом на уровне предельной возможности (согласно графику на рис. 8) 7, 8, и более процентов, без ущерба для насоса, уменьшения его КПД. Часть воздуха пойдет на окисления примесей, часть - на проведения флотации, часть, 2%, останется для развития гидробионты.

Для примера, произведем расчет размера пузырька воздуха при перепаде давлении в 3 бар и температуре 20˚С. Поверхностное натяжение σ _г-ж при этих условиях будет 72,75 мН · м^-1.

1. 
   - это, прежде всего источник пресной воды для полива зеленых насаждений, технических и пожарных целей, рыбохозяйственный водоем, источник повторного питьевого водоснабжения; осуществляет естественное очищение воды;
   
2. 
   с помощью биопруда можно снижать содержание биогенных растворимых элементов, т.к. может обеспечивать снижения концентрации фосфора с 5 -15 мг/л до 2 – 9 мг/л, аммонийного азота с 4 – 7 мг/л до 2,5 мг/л, нитратов с 2- 14 мг/л до 1 – 4 мг/л [1];
   
3. 
   это гидравлическая развязка между канализационными очистными сооружениями и системой питьевого водоснабжения населенного пункта.
   

Биологические пруды позволяют иметь минимальное по мощности реагентное хозяйство или отказаться полностью от применения реагентов в технологическом цикле.

При некоторых экономических недостатках биопрудов плюсы здесь значительные, т.к. экономится пресная вода, улучшается качество очистки, возможен биологический контроль за работой очистных сооружений с максимальным уровнем биоценоза. Уровень развития сине – зеленных водорослей в биопрудах можно контролировать технологически. [13]

Биологические пруды нашли применение как на территории СНГ (Караганда, Северодонецк, Новополоцк и др.) в США, Германии и др. странах. Канализационные очистные сооружения с возвратом очищенного канализационного стока в систему питьевого водоснабжения более 30 лет работают в г. Южный штат Калифорния (США) и основными технологическими элементами там являются отстойники, флотаторы, фильтры, биопруд. Само название биопруда предполагает протекание в них естественное самоочищение

Устройство (рис.6) для очистки жидкостей от дисперсных примесей состоит из установленных одна над другой открытые сверху камеры 1, состоящих из фильтрующих элементов 2 с различными слоями фильтрующего материала 3. Фильтрующие полислойные материалы с разными размерами пор удерживается герметично по периметру многоячеистыми рамками 4, в которых имеются трубки 5 для отбора проб и измерения давления по манометру 6 на каждом фильтрующем слое. Количество фильтрующих камер может быть от одной и более, при большем количестве камеры могут быть обвязаны трубопроводами связи 7, с задвижками и насосами последовательно, параллельно и в

смешанных вариантах. Подача жидкости на очистку идет под слой фильтрующего материала. Каждая фильтрующая камера имеет инфразвуковой вибратор 8, ультразвуковой излучатель 9, трубопровод канализации 10. Камеры монтируются на стальной конструкции 11.

Работает устройство следующим образом. Очищаемая жидкость по трубопроводу 7 подается под слой фильтрующего материала 3. При давлении жидкости на фильтрующий материал происходит фильтрация через различные полислои фильтрующего материала: нижний монослой с большим размером пор, далее второй с меньшим размером пор и т.д. Для примера на рисунке показаны слои с размерами пор 40, 20, 2 мкм. В настоящем промышленностью выпускаются фильтрующие материалы из полипропилена, полиэтилена с размерами пор от 80 до 0,3 мкм. Рекомендуем подбирать размеры пор фильтрующего материала в этом диапазоне в зависимости от дисперсности извлекаемых частиц и вязкости жидкости. По технологическому регламенту задается скорость фильтрования и технологическая схема установки. По манометрам 6 ведется отслеживания давление на каждый фильтрующий монослой, которое должно не превышать максимальное рабочее давление фильтрации. При достижении максимального давления производят или снижение скорости фильтрации, или производят полную остановку работы фильтрующей камеры, с последующей обработкой находящейся жидкости инфразвуковыми колебаниями с помощью вибратора 8 с одновременной обратной промывкой, опорожнением камеры от жидкости через трубопровод канализации 10. После нескольких таких регенераций производят заполнение камеры жидкостью и производят одновременную обработку жидкости ультразвуковыми и инфразвуковыми колебаниями с обратной промывкой в канализацию. При такой регенерации можно опять включать в работу фильтрующую камеру и отслеживать давление фильтрации и качество очистки жидкости. По техническим условиям надо рассчитать минимальную мощность N_min и максимальную частоту f_max инфразвукового вибратора для эффективной работы установки по прилагаемым формулам:

где ρ - плотность осадка; g - ускорение силы тяжести; η - динамическая вязкость осадка; П – длина периметра осадка; S_ф - площадь фильтрующего материала; ΔV_в – объем вибратора.

Данное устройство представляет фильтр – систему с двумя, тремя, четырьмя и т.д. фильтрующими камерами обвязанных трубопроводами связи, задвижками в различных вариантах: последовательно, параллельно и смешенных режимах. Это дает возможность производить регенерацию без остановки устройства в целом. Одна фильтрующая камера в работе – есть частный вариант от двухкамерной, трехкамерной, четырехкамерной и т.д. систем. Давление фильтрации можно создавать за счет гидравлического перепада или за счет работы насосов на заданную производительность. Вертикальное расположение фильтрующих камер в системе более рациональное, чем горизонтальное по нескольким причинам: экономятся производственные площади, используется гидростатическое давление очищаемой жидкости от верхних фильтрующих камер. При очень плотных фильтрующих материалах гидростатического давления очищаемой жидкости может быть не достаточным, чтобы достичь нужной производительности установки. В этом случае используем насосы на необходимую производительность и давление. В таком случае возможно горизонтальное или смещенное расположения фильтрующих камер, например, при больших их фильтрующих площадях и использовании насосов для подачи жидкости на большую производительность.

1. 
   Использование фильтрующих материалов типа полипропилен, полиэтилен по техническим условиям ТУ У 16512587.002 – 2001 и аналогичным техническим условиям производителя.
   
2. 
   Вектор скорости фильтрации вертикальный снизу вверх.
   
3. 
   Использование фильтрующих материалов в виде фильтропластов. Вертикальное расположение фильтропластов в зависимости от размера их пор (рейтинга). Внизу располагаются фильтропласты с большим размером пор, начиная от 80 мкм, потом по рейтингу с меньшим и так до рейтинга 0,3 мкм – минимальное возможный рейтинг фильтропласта в настоящее время по условиям производителя.
   
4. 
   Общая толщина слоев фильтропластов не более 30 мм, что обеспечит не сложную, быструю регенерацию.
   
5. 
   Конструкция позволяет проводить многоцикличную регенерацию фильтрующих материалов в результате воздействия ультразвуковых, инфразвуковых механических колебаний с задаваемыми параметрами мощности и частоты, в комплексе с обратной промывкой.
   
6. 
   Гарантированное жесткое механическое крепление фильтрующего материала по его периметру на давление фильтрации до 1 МПа.
   
7. 
   Механическое разделение фильтропластов между собой на расстоянии до 10 мм. Это важное условие позволяющее накапливать осадок под слоем фильтропласта. Большее расстояние между пластинами не имеет ни экономического, ни физического смысла.
   
8. 
   Фильтропласты удерживаются многоячеистыми фиксирующими его рамками. Рамки изготавливаются на рассчитанную механическую нагрузку индивидуально на давление фильтрации и производительность.
   
9. 
   Фильтры могут быть изготовлены, в зависимости от давления на входе и выходе, на напорно – напорные или напорно – безнапорные.
   
10. 
    Фильтры такого типа могут создаваться на производительность от 0,1 м³/час до 1000 м³/ час в одном модуле или в интегрированных фильтрующих системах.
    
11. 
    Фильтропласты подбираются индивидуально по решаемым проблемам очистки жидкости, а не только воды.
    
12. 
    Конструкция позволяет выдерживать суммарное сопротивление фильтрации до 1 МПа, давление на корпус до 1,5 МПа.
    
13. 
    Корпус фильтра изготовляется из металла толщиной от 2 мм и более, на который воздействуют нагрузки от 1 тн и более. Никакая пластмасса такие нагрузки не выдержит. С точки зрения антикоррозийной мотивации, металл для фильтра лучше изготавливать из пищевой стали 12Х18Н10Т.
    
14. 
    Фильтр гарантировано может удалять 100% взвешенные вещества и бактерии из жидкостей. Это условие гарантирует физические свойства фильтропластов по ТУ У 16512587.002 – 2001 с минимальными размерами пор до 0,3 мкм.
    
15. 
    Конструкция фильтра позволяет менять фильтропласты на другие при изменениях условий их эксплуатации или при их физическом износе, дефектах.
    
16. 
    Монослой фильтропласта рассчитывается на давление фильтрации до 1 МПа, скорость фильтрации до 100 - 200 м/час.
    
17. 
    Фильтрация с удержанием дисперсных частиц до 0,3 мкм (а с учетом «намывного эффекта» и меньше) позволяет отказаться от применения реагентов, сорбентов, что уменьшает затраты эксплуатации.
    

Обезвоживание и утилизации осадка из очищаемых стоков осуществляется на технико-экономических обоснованных решений, это и шламонакопители с естественной сушкой, вакуум – фильтры, центрифуги.

Рис. 7. – Типы деконтеров в зависимости от производительности

Осадительные центрифуги непрерывного или периодического действия следует применить для выделения из сточных вод мелкодисперсных взвешенных веществ, когда для их выделения не могут быть применены реагенты, а также при необходимости извлечения из

осадка ценных продуктов и их утилизации. Центрифуги непрерывного действия следует применять для очистки сточных вод с расходом до 100 м³/ч, когда требуется выделить частицы гидравлической крупностью 0,2 мм/с (противоточные) и 0,05 мм/с (прямоточные); центрифуги периодического действия - для очистки сточных вод, расход которых не превышает 20 м³/ч, при необходимости выделения частиц гидравлический крупностью 0,05-0,01 мм/с. [9].

Прилагаем, для примера, центрифуги – деконтары от немецкой фирмы Умвельттехник Гмбх, рис. 7, табл.. 3. Данное технологическое оборудование хорошо себя зарекомендовало на ряде объектах ЖКХ России [16].

Шламонакопители наиболее экономичное решение по эксплуатационным затратам и могут составлять альтернативу механическим способам обезвоживания [17], однако имеются и недостатки: затруднена эксплуатация в осеннее – зимний период, относительно большие площади для их устройства.