СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ ГИДРОСФЕРЫ

6.4. СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ ГИДРОСФЕРЫ

При kn≥5 объем усреднителя (м³)

V=kпΔQτ3,

где ΔQ –превышение расхода сточной воды при переменном сбросе, м^3/с; τз – продолжительность переменного сброса, с; при kn < 5 V =ΔQτ3/ln[kп/(kп-1)].

После расчета объема усреднителя выбирают необходимое число секций, исходя из условия ΔQh/V≤. Wд, где h –высота секции усреднителя, м; Wд = 0,0025 м/с –допустимая скорость движения сточной воды в усреднителе.

В соответствии с видами процессов, реализуемых при очистке, целесообразно [6.5] существующие методы классифицировать на механические, физико-химические и биологические.

Процеживание реализуют в решетках и волокноуловителях. В вертикальных или наклонных решетках, ширина прозоров .обычно составляет 15...20 мм. Для удаления осадка веществ с входной поверхности решеток используют ручную или механическую очистку. Последующая обработка удаленного осадка требует дополнительных затрат и ухудшает санитарно-гигиенические условия в помещении. Эти недостатки устраняются при использовании решеток-дробилок, которые улавливают крупные взвешенные вещества и измельчают их до 10 мм и менее. В настоящее время используют несколько типоразмеров таких решеток, например, РД-200 производительностью 60 мЭ/ч и диаметром сетчатого барабана 200 мм.

Для выделения волокнистых веществ из сточных вод целлюлозно-бумажных и текстильных предприятий используют валокноуловители, например с использованием перфорированных дисков или в виде движущихся сеток с нанесенным на них слоем волокнистой массы.

Отстаивание основано на свободном оседании (всплывании) примесей с плотностью больше (меньше) плотности воды. Процесс отстаивания реализуют в песколовках, отстойниках и жироуловителях. Для расчета этих очистных устройств необходимо знать скорость свободного осаждения (всплывания) примесей (м/с)

Wo=gd²₄(P4-PB)/(18m),

где g–ускорение свободного падения, м/с²; d4,–средний диаметр частиц, м; рч и рв –плотности частицы и воды, кг/м³; m –динамическая вязкость воды. Па/с.

L=αhW/Wo

Рабочую глубину песколовки h выбирают из условия h/W≤τпр, где τпр –время пребывания воды в песколовке, τпр= 30...100 с. Ширина песколовки (м)

где Н–рабочая высота отстойника, м; hо=0,25 H–высота движущегося слоя сточной воды в начале отстойника, м; β = (0,018...0,02) Wx;Wx – горизонтальная составляющая скорости движения воды, м/с.

Во второй зоне длиной l2 (м) скорость потока сточной воды постоянна. В этой зоне основная часть примесей должна осесть (всплыть) в иловую часть (на поверхность) отстойника, поэтому

Рис 6.15. Схема горизонтальной

песколовки.

1 – входной патрубок; 2 – корпус песколовки; 3–шламосборник; 4–выходной патрубок

где h1 – максимально возможная высота подъема частицы в первой зоне, м. В третьей зоне длиной l3 (м) скорость потока увеличивается и условия осаждения частиц ухудшаются

l3=H/tgα,

где α –угол сужения потока воды в выходной части отстойника; α =25…30˚.

Для расчета общей длины отстойника l=l1+l2+l3 задают расход сточной воды и размеры поперечного сечения отстойника.

Очистку сточных вод в поле действия центробежных сил осуществляют в открытых или напорных гидроциклонах и центрифугах. Открытые гидроциклоны применяют для выделения из сточной воды крупных твердых примесей со скоростью осаждения более 0,02 м/с. Такие гидроциклоны имеют большую производительность и малые потери напора, не превышающие 0,5 м. Эффективность очистки сточных вод от твердых частиц в гидроциклонах зависит от состава примесей (материала, размера, формы частиц и др), а также от конструктивных и геометрических характеристик гидроциклона

Открытый гидроциклон (рис. 6.17) состоит из входного патрубка 1, кольцевого водослива 2, патрубка 3для отвода очищенной воды и шламоотводящей трубы 4. Существуют открытые гидроциклоны с нижним отводом очищенной воды, а также гидроциклоны с внутренней цилиндрической перегородкой.

Производительность (м³/с) открытого гидроциклона Q= 0,785qD², где q – удельный расход воды; для гидроциклона с внутренней цилиндрической перегородкой q=7,15wo (wo–скорость свободного осаждения частиц в воде, м/с); D – диаметр цилиндрической части гидроциклона, м.

Для проектирования открытых гидроциклонов рекомендуются следующие его геометрические характеристики: D = 2...10 м; H= D; d= 0,ID при одном отверстии и d= 0,0707D при двух входных отверстиях; α = 60°.

Конструктивная схема напорного гидроциклона аналогична схеме циклона для очистки газов от твердых частиц. Производительность напорного гидроциклона

Рис. 6.16. Расчетная схема горизонтального отстойника.

Рис . 6.17. Схема открытого гидроциклона

где К – коэффициент, зависящий от условий входа воды в гидроциклон; для гидроциклонов с D)=0,125...0,6 м и α =30° K=0,524; ∆р– перепад давлений воды в гидроциклоне, Па; p – плотность очищаемой сточной воды, кг/м .

На рис. 6.18 представлена схема напорного гидроциклона, обеспечивающего очистку сточной воды и от твердых частиц, и от маслопродуктов. Сточная вода через установленный тангенциально по отношению к корпусу гидроциклона входной трубопровод 1 поступает в гидроциклон. Вследствие закручивания потока сточной воды твердые частицы отбрасываются к стенкам гидроциклона и стекают в шламосборник 7, откуда они периодически удаляются. Сточная вода с содержащимися в ней маслопродуктами движется вверх. При этом вследствие меньшей плотности маслопродуктов они концентрируются в ядре закрученного потока, который поступает в приемную камеру 3, и через трубопровод 5 маслопродукты выводятся из гидроциклона для последующей утилизации. Сточная вода, очищенная от твердых частиц и маслопродуктов, скапливается в камере 2, откуда через трубопровод 6 отводится для дальнейшей очистки. Трубопровод 4 с регулируемым проходным сечением предназначен для выпуска воздуха, концентрирующегося в ядре закрученного потока очищаемой сточной воды.

Рис. 6.18. Схема комбинированного гидроциклона

Фильтрование применяют для очистки сточных вод от тонкодисперсных примесей с малой их концентрацией.

Рис . 6.19. Схема зернистого фильтра

Для очистки больших расходов сточных вод от мелкодисперсных твердых примесей применяют зернистые фильтры (рис. 6.19). Сточная вода по трубопроводу 4 поступает в корпус 1 фильтра и проходит через фильтровальную загрузку 3 из частиц мраморной крошки, шунгизита и т. п., расположенную между пористыми перегородками 2 и 5. Очищенная от твердых частиц сточная вода скапливается в объеме, ограниченном пористой перегородкой 5, и выводится из фильтра через трубопровод 8. По мере осаждения твердых частиц в фильтровальном материале перепад давлений на фильтре увеличивается и при достижении предельного значения перекрывается входной трубопровод 4и по трубопроводу 9 подается сжатый воздух. Он вытесняет из фильтровального слоя 3 воду и твердые частицы в желоб 6, которые затем по трубопроводу 7 выводятся из фильтра. Достоинством конструкции фильтра является развитая поверхность фильтрования, а также простота конструкции и высокая эффективность.

В настоящее время для очистки сточных вод от маслопродуктов широко используют фильтры с фильтровальным материалом из частиц пенополиуретана. Пенополиуретановые частицы, обладая большой маслопоглощающей способностью, обеспечивают эффективность очистки до 0,97...0,99 при скорости фильтрования до 0,01 м/с. При этом насадка из пенополиуретана легко регенерируется при механическом выжимании маслопродуктов.

На рис. 6.20 представлена схема фильтра-сепаратора с фильтровальной загрузкой из частиц пенополиуретана, предназначенного для очистки сточных вод от маслопродуктов и твердых частиц. Сточную воду по трубопроводу 5 подают на нижнюю опорную решетку 4. Затем вода проходит через фильтровальную загрузку в роторе 2, верхнюю решетку 4 и очищенная от примесей переливается в приемный кольцевой карман 6 и выводится из корпуса 1. При концентрации маслопродуктов и твердых частиц до 0,1 кг/м³ эффективность очистки составляет соответственно 0,92 и 0,9; а время непрерывной эксплуатации фильтра 16...24 ч. Достоинствами данной конструкции являются простота и большая эффективность регенерации фильтра. При включении электродвигателя 7 вращается ротор 2 с фильтровальной загрузкой. В результате частицы пенополиуретана под действием центробежных сил отбрасываются к внутренним стенкам ротора, выжимая из него маслопродукты, которые поступают в карманы 3 и направляются на регенерацию. Время полной регенерации фильтра 0,1 ч.

Рис. 6.20. Схема фильтра-сепаратора

В настоящее время в связи с использованием оборотных систем водоснабжения существенно увеличивается применение физико-химических методов очистки сточных вод, основными из которых являются флотация, экстракция, нейтрализация, сорбция, ионообменная и электрохимическая очистка, гиперфильтрация, эвапорация, выпаривание, испарение и кристаллизация.

В зависимости от способа образования пузырьков газа различают следующие виды флотации: напорную, пневматическую, пенную, химическую, вибрационную, биологическую, электрофлотацию и др.

В настояще время на станциях очистки широко используют электрофлотацию, так как протекающие при этом электрохимические процессы обеспечивают дополнительное обеззараживание сточных вод. Кроме того, применение для электрофлотации алюминиевых или стальных электродов обусловливает переход ионов алюминия или железа в раствор, что способствует коагулированию мельчайших частиц механических примесей сточной воды.

Образование дисперсной газовой фазы в процессе электрофлотации происходит вследствие электролиза воды. Основной составляющей электролизных газов является водород; при этом выделяется незначительное количество кислорода, хлора, оксидов углерода и азота.

При расчете электрофлотатора определяют расход газа, необходимого для обеспечения заданной эффективности очистки, qr=100Q(Co-Cк)6M, где Co и Ск–концентрации маслопродуктов в исходной и очищенной сточной воде, кг/м³; М–удельная адсорбция маслопродуктов газовой фазой, л/кг. Затем находят силу тока для получения требуемого количества электролизного газа I= qr/αr, где α_r– выход газа по току; α_r = 0,0076 дм³ / (л-мин).

Расход водорода (дм/мин) в смеси электролизного газа

QH2=22,4qrαH(αrMH2)

где α_H – электрохимический эквивалент водорода, α_H = 0,627 мг/(А-мин); M_н2 – молекулярная масса водорода.

Задают расход воздуха, подаваемого под границу раздела «сточная вода – воздух рабочей зоны» в камере флотации, исходя из соотношения q≥50qн2 и определяют суммарный расход газовоздушной смеси, выходящей через открытую поверхность флотатора qсм=qr+qв. Выбирают удельный расход газовоздушной смеси через поверхность ценообразования ω = 300...600 дм³/(м - мин) [6.5] и определяют площадь поверхности пенообразования f=qсм/ω.

Определяют объемную плотность тока (А/м³), обеспечивающую необходимую величину газонаполнения. j=(φ+0,261Kcp+0,1)/(0,022-0,011Kф),

где φ –степень газонаполнения сточной воды в процессе флотации; φ == 1...5 дм³/м³; Кф = 0,3...1,2 –коэффициент формы флотационной камеры.

Находят объем и площадь поперечного сечения флотационной камеры V=I/j; F=(K_ф³V)² и затем ее основные размеры.

Теоретический расход щелочей (кислот) для нейтрализации содержащихся в сточных водах кислот (щелочей) определяют в соответствии с уравнениями реакций нейтрализации по формуле q = сМэ/Мк где с – концентрация кислоты (щелочи) или их солей в сточной воде; Мэ и Мкк – молекулярные массы щелочи (кислоты) и кислоты (щелочи) или их солей.

На практике используют три способа нейтрализации сточных вод:

– фильтрационный–путем фильтрования сточной воды через насадки кусковых или зернистых материалов;

– водно-реагентный –добавлением в сточную воду реагента в виде раствора или сухого вещества (извести, соды или шлака); нейтрализующим раствором может быть и щелочная сточная вода;

– полусухой –перемешиванием высококонцентрированных сточных вод (например, отработанного гальванического раствора) с сухим реагентом (известью, шлаком) с последующим образованием нейтральной тестообразной массы.

Различают сильно- и слабокислотные катиониты (в Н⁺ или Na⁺- форме) и сильно- и слабоосновные аниониты (в ОН^-- или солевой форме), а также иониты смешанного действия.

Рис. 6.21. Технологическая схема ионообменной очистки сточных вод:

n[K]H+Meⁿ⁺↔[K]_nMe+hH⁺

где К –«скелет» (радикал) катионита; Me –извлекаемый из сточной воды катион металла; n–заряд катиона. При этом имеет место увеличение кислотности сточной воды.

При контакте сточной воды с анионитом в гидроксильной форме происходит обмен анионов кислот на OH'-ионы анионита в соответствии с уравнением реакции

m[Ap]OH+A^m-↔[A_n]_mA+mOH

где Аn–«скелет» (радикал) анионита; А–извлекаемый из сточной воды анион; т –заряд аниона.

В зависимости от вида и концентрации примесей в сточной воде, требуемой эффективности очистки используют различные схемы ионообменных установок. Для очистки сточных вод от анионов сильных кислот применяют технологическую схему одноступенчатого Н-кати-онирования и ОН-анионирования с использованием сильнокислотного катионита и слабоосновного анионита (рис. 6.21, a). Для более глубокой очистки сточных вод, в том числе от солей, применяют одно-или двухступенчатое Н-катионирование на сильнокислотном катионите с последующим двухступенчатым ОН-анионированием на слабо-, а затем на сильноосновном анионите (рис. 6.21, б).

При содержании в сточной воде большого количества диоксида углерода и его солей происходит быстрое истощение емкости сильноосновного анионита Для уменьшения истощения сточную воду после катионитового фильтра дегазируют в специальных дегазаторах с насадкой из колец Рашига или в других аппаратах (рис 621, в)

Рис. 6. 22. Технологическая схема установки
электрохимического окисления циансодержащих сточных вод
При необходимости обеспечивать значение рН ≈ 6,7 и очистки сточной воды от анионов слабых кислот вместо анионитовых фильтров второй ступени используют фильтр смешанного действия, загружаемый смесью сильнокислотного катионита и сильноосновного анионита

Электрохимическая очистка, в частности, электрохимическое окисление осуществляется электролизом и реализуется двумя путями окислением веществ путем передачи электронов непосредственно на поверхности анода или через вещество–переносчика, а также в результате взаимодействия с сильными окислителями, образовавшимися в процессе электролиза

Наличие в сточной воде достаточного количества хлорид-ионов обусловливает появление в ней при электролизе активного хлора (С1₂, НОС1, С12O, С1O , СlOз), который является сильнейшим окислителем и способен вызывать глубокую деструкцию многих органических веществ, содержащихся в сточных водах

Электрохимическое окисление применяют для очистки сточных вод гальванических процессов, содержащих простые цианиды (КС1, NaCI) или комплексные цианиды цинка, меди, железа и других металлов Электрохимическое окисление осуществляют в электролизерах (обычно прямоугольной формы) непрерывного или периодического действия. На аноде происходит окисление цианидов в малотоксичные и нетоксичные продукты (цианаты, карбонаты, диоксид углерода, азот), а на катоде –разряд ионов водорода с образованием газообразного водорода и разряд ионов меди, цинка, кадмия, образующихся при диссоциации комплексных анионов с содержанием CN-группы.

На рис. 6. 22. показана технологическая схема установки для электрохимического окисления сточных вод. В ее состав входят сборный резервуар 1, бак 2 для приготовления концентрированного раствора NaCI, электролизер 3 с источником постоянного напряжения 7. Очищенная от цианидов сточная вода выходит по трубопроводу 4, а при необходимости ее доочистки по трубопроводу 5 вновь направляется в сборный резервуар 7. Для интенсификации процесса окисления в электролизер 3 по трубопроводу 6 подают сжатый воздух.

Рис. 6.23. Технологическая схема эвапо-рационной установки

1–трубопровод подачи исходной сточной воды; 2– теплообменник; 3–эвапорационная колонна; 4– трубопровод загрязненного пара; 5–трубопровод подачи растворителя; 6–колонна с насадками из колец Рашига для очистки отработанного пара; 7–вентилятор; 8– трубопровод повторно используемого очищенного пара; 9 – трубопровод отвода загрязненного летучими примесями растворителя; 10–трубопровод отвода очищенной сточной воды; 11–трубопровод подачи свежего пара
Гиперфильтрация (обратный осмос) реализуется разделением растворов путем фильтрования их через мембраны, поры которых размером около 1 нм пропускают молекулы воды, задерживая гидратированные ионы солей или молекулы недиссоциированных соединений По сравнению с другими методами очистки гиперфильтрация требует малых энергозатрат установки для очистки конструктивно просты и компактны, легко автоматизируются, фильтрат имеет высокую степень чистоты и может быть использован в оборотных системах водоснабжения, а сконцентрированные примеси сточных вод легко утилизируются или уничтожаются.

Перенос воды и растворенного вещества через мембрану оценивается уравнениями Q = k1(Pp-∆p); F=k2∆c, где Q – расход воды через мембрану, м³/с, k₁, k₂ –коэффициенты проницаемости соответственно воды и растворенного вещества через конкретную мембрану; рр – рабочее давление на входе в мембрану, Па; ∆р – разность осмотических давлений раствора на входе в мембрану, Па, ∆с – разность концентраций растворенного в воде вещества на входе в мембрану и выходе из нее, кг/м³; F– масса растворенного вещества, переносимого через мембрану, кг.

Для гиперфильтрации используют ацетатцеллюлозные, полиамидные и тому подобные полимерные мембраны с ресурсом работы 1. 2 г Селективность мембран по отношению к ионам различных веществ характеризуется следующим рядом Al³⁺ > Zn²⁺ > Cd²⁺ > Mg²⁺ > Ca²⁺ > Ba²⁺ > SO^2- > Na⁺ > F^- > K⁺ > Cl^- > Br^- > I^- > NO3^- > H⁺.

Эвапорация реализуется обработкой паром сточной воды с содержанием летучих органических веществ, которые переходят в паровую фазу и вместе с паром удаляются из сточной воды. Процесс эвапорации осуществляют в испарительных установках (рис. 6. 23), в которых при протекании через эвапорационную колонну с насадками из колец Рашига навстречу потоку острого пара сточная вода нагревается до температуры 100° С. При этом содержащиеся в сточной воде летучие примеси переходят в паровую фазу и распределяются между двумя фазами (паром и водой) в соответствии с уравнением Сп/св = у, где Сп и св, – концентрации примеси в паре и сточной воде, кг/м³; у – коэффициент распределения. Для аммиака, этиламина, диэтиламина, анилина и фенола, содержащихся в сточной воде, коэффициент распределения соответственно равен 13, 20, 43; 5,5 и 2.

Концентрация примеси в сточной воде на выходе из эвапорацион-ной колонны

Св=Со(qY-1)(qye^x-1)

где Co –концентрация примеси в исходной сточной воде, кг/м³; q – удельный расход пара, кг/кг; х = [рσН(qу–1)]/(Ьуу), здесь bqy – эмпирическая постоянная насадки; b–плотность орошения колонны водой, м³/м²; р –эмпирическая постоянная, м/с; ст –удельная площадь поверхности насадки, м^м²; Н–высота слоя насадки, м.

Выпаривание, испарение и кристаллизацию используют для очистки небольших объемов сточной воды с большим содержанием летучих веществ.

Биологическая очистка. Ее применяют для выделения тонкодисперсных и растворенных органических веществ. Она основана на способности микроорганизмов использовать для питания содержащиеся в сточных водах органические вещества (кислоты, спирты, белки, углеводы и т. п.). Процесс реализуется в две стадии, протекающие одновременно, но с различной скоростью: адсорбция из сточных вод тонкодисперсных и растворенных примесей органических веществ и разрушение адсорбированных веществ внутри клетки микроорганизмов при протекающих в них биохимических процессах (окислении или восстановлении). Обе стадии реализуются как в аэробных, так и в анаэробных условиях в зависимости от видов и свойств микроорганизмов. Биологическую очистку осуществляют в природных и искусственных условиях.

Сточные воды в природных условиях очищают на полях фильтрации, полях орошения и в биологических прудах [6.5]. Очистку и бытовых, и производственных сточных вод на полях фильтрации и полях орошения в настоящее время используют очень редко в связи с малой пропускной способностью единицы площади полей и непостоянством состава производственных сточных вод, а также из-за возможности попадания на поля токсичных для их микрофлоры примесей.

Биологические пруды используют для очистки и доочистки сточных вод суточным расходом не более 6000 м³. Применяют пруды с естественной и искусственной аэрацией.

Биологические фильтры широко используют для очистки и бытовых, и производственных сточных вод. В качестве фильтровального материала для загрузки биофильтров применяют шлак, щебень, керамзит, пластмассу, гравий и т. п. Существуют биофильтры с естественной подачей воздуха; их применяют для очистки сточных вод суточным расходом не более 1000 м³ Для очистки производственных сточных вод больших расходов и сильно концентрированных используют биофильтры с принудительной подачей воздуха (рис 6 24)

Рис. 6. 24. Схема биофильтра с принудительной подачей воздуха

1–трубопровод подачи исходной сточной воды; 2–водораспределительные устройства; 3– фильтровальная загрузка; 4–трубопровод отвода очищенной сточной воды; 5–гидравлический затвор; 6 – трубопровод подвода сжатого воздуха; 7 – корпус фильтра
Нормальный ход процесса биологической очистки сточных вод устанавливается после образования на загрузочном материале биофильтра биологической пленки, микроорганизмы которой адаптировались к органическим примесям сточных вод. Период адаптации обычно составляет 2...4 недели, хотя в отдельных случаях он может достигать нескольких месяцев. Для оценки состава сточных вод в процессе биологической очистки используют биологическую потребность воды в кислороде (БПК) –количество кислорода, необходимое для окисления всех органических примесей, содержащихся в единице объема сточной воды.

Объем загрузочного материала V= (La–l)/m, где La и Lt,–БПК исходной и очищенной сточной воды, кг/м³; М–окислительная мощность биофильтра –масса кислорода, которая может быть получена в сутки с единицы объема загрузочного материала биофильтра, кг/(м³сут)

Аэротенки, используемые для очистки больших расходов сточных вод, позволяют эффективно регулировать скорость и полноту протекающих в них биохимических процессов, что особенно важно для очистки промышленных сточных вод нестабильного состава. Окислительная мощность аэротенков составляет 0,5...1,5 кг/м³ в сутки. В зависимости от состава примесей сточных вод и требуемой эффективности очистки применяют аэротенки с дифференцируемой подачей воздуха, аэротенки-смесители с дифференцируемой подачей сточной воды и аэротенки с регенераторами активного ила.

При БПК > 0,5 кг/м³ используют аэротенки с дифференцируемой (сосредоточенной) подачей смеси сточной воды и активного ила в начале сооружения (рис. 6.25). Воздух, интенсифицирующий процесс окисления органических примесей, распределяется равномерно по всей длине аэротенка. Диспергирование воздуха в очищаемой сточной воде осуществляют механическими или пневматическими аэраторами. Окислительная мощность аэротенков существенным образом зависит от концентрации активного ила в сточной воде При очистке производственных сточных вод концентрация ила обычно составляет 2...3 кг/м³ по сухому веществу.

Рис. 6. 25. Технологическая схема аэротенка

1 – трубопровод подачи исходной сточной воды; 2–первичный отстойник; 3– трубопровод подачи активного ила для повторного использования; 4–аэротенк; 5–трубопровод отвода отработанного ила; 6–трубопровод отвода очищенной сточной воды; 7–вторичный отстойник; 8-–трубопровод подвода сжатого воздуха

Окситенки обеспечивают более интенсивный процесс окисления органических примесей по сравнению с аэротенками за счет подачи в них технического кислорода и повышения концентрации активного ила. Для увеличения коэффициента использования подаваемого в объем сточной воды кислорода реактор окситенка герметизируют. Очищенная от органических примесей сточная вода из реактора поступает в илоотделитель, в котором происходит выделение из нее отработанного ила. При проектировании окситенков необходимо предусматривать мероприятия по обеспечению их пожаровзрывобезопасности с учетом вредных и опасных факторов, имеющих место при эксплуатации систем с использованием газообразного кислорода.