Книга: Вода и жизнь на Земле

Очистка сточных вод

Очистка сточных вод

Одним из существенных мероприятий по охране водоемов является канализация. Под канализацией понимают комплекс санитарных мероприятий и инженерных сооружений, обеспечивающих сбор и быстрое удаление за пределы населенных мест и промышленных предприятий загрязненных сточных вод, их очистку, обезвреживание и обеззараживание. Методы очистки бытовых сточных вод подразделяются на механические и биологические. При механической очистке сточных вод происходит разделение их жидкой и твердой фаз. Для этой цели применяются решетки, песколовки, различные отстойники и т. д. Жидкая часть сточных вод подвергается биологической очистке, которая может быть естественной и искусственной. Естественная биологическая очистка сточных вод осуществляется на полях фильтрации, полях орошения, в биологических прудах и т. п. Для искусственной биологической очистки применяют специальные сооружения — биофильтры, аэротенки. Обработка ила производится на иловых площадках или в метантенках.

Разнообразны сооружения для механической очистки сточных вод. Прежде всего, это — решетки, которые задерживают крупные загрязнения в сточной воде. Песколовки улавливают в ней минеральные примеси. Необходимость предварительной их задержки обусловливается тем, что при раздельном выделении из сточной жидкости минеральных и органических загрязнений облегчаются условия эксплуатации сооружений, служащих для дальнейшей очистки отстойников, метантенков и др. Принцип действия песколовки не сложен: частицы, удельный вес которых больше, чем удельный вес воды, по мере движения вместе с водой в резервуаре выпадают на дно. Отстойники в зависимости от своего назначения подразделяются на первичные и вторичные. Первичные обычно устанавливаются до сооружений биологической обработки сточных вод, вторичные — после этих сооружений. По конструктивным признакам отстойники подразделяются на горизонтальные, вертикальные и радиальные.

Первичные отстойники практически могут обеспечить эффект осветления жидкости не более чем на 60 %, чаще он колеблется в пределах 30–50 %. Эффективность отстаивания можно повысить предварительной аэрацией: продуть сточную жидкость перед отстойниками воздухом в течение 10–20 мин. Если одновременно с аэрацией добавляют избыточный активный ил и биопленку из вторичных отстойников, то этот процесс называется биокоагуляцией.

Разнообразны сооружения для обработки осадка сточных вод. Это — септики, двухъярусные отстойники и осветлители-перегреватели, метантенки, иловые площадки. Септиками называются сооружения, в которых одновременно происходит осветление сточной жидкости и длительное хранение и перегнивание выпавшего осадка. Осадок хранится от 6 до 12 месяцев, затем под влиянием накопившихся в нем анаэробных микроорганизмов разрушается, а нерастворимые органические вещества превращаются в газообразный продукт или в растворимые минеральные соединения. Сточную жидкость осветляют в септиках длительное время (от 1 до 3 суток), но при этом достигается высокий эффект осветления.

Двухъярусные отстойники применяют для небольших и средних очистных станций производительностью до 10 тыс. м³/сут. Осадок, выпавший в иловую камеру, сбраживается под влиянием анаэробных бактерий, которые расщепляют сложные органические вещества (белки, жиры, углеводы) первоначально до кислот жирного ряда, а в дальнейшем и до конечных, более простых продуктов: газов метана, углекислоты и частично сероводорода. Сероводород при щелочном брожении связывается в растворе с железом, образуя сернистое железо, окрашивающее осадок в черный цвет.

Метантенк представляет собой цилиндрический или прямоугольный железобетонный резервуар с коническим днищем, предназначенный для сбраживания осадка. Получающийся в результате брожения газ собирается в газовом колпаке, расположенном в верхней части газонепроницаемого перекрытия, и затем отводится для дальнейшего использования. Чтобы ускорить процессы брожения, в метантенке используют различные приемы, в частности подогрев или его перемешивание. Осадок подогревают обычно до температуры 33° или 55 °C, вводом в метантенк острого пара посредством эжектируемых устройств или водой, разогретой до 60 °C и циркулирующей по змеевикам, уложенным внутри метантенка, а также в наружных теплообменных аппаратах. Сброженный осадок имеет высокую влажность (96–97 %) и для дальнейшего использования его необходимо подсушить. Существуют различные приемы сушки осадка: самый распространенный — сушка на иловых площадках — спланированных участках земли (картах), окруженных со всех сторон земляными валиками. Здесь осадок может быть подсушен в среднем до влажности 75 %, вследствие чего его объем уменьшается в 3–8 раз.

Иловые площадки обычно устраивают на естественном основании с дренажем или без дренажа при условии залегания грунтовых вод на глубине, не меньшей 1,5 м от поверхности карт. Но случается, что и при хороших грунтах не исключается опасность загрязнения грунтовой воды. Тогда площадку устраивают на искусственном основании, препятствующем попаданию профильтровавшейся загрязненной воды в грунтовой поток. Если грунт под иловыми площадками плотный и водонепроницаемый (суглинок, глина), то они сооружаются на естественном основании со специально устроенным трубчатым дренажем, уложенным в канавы, заполненные щебнем.

С целью механизированной уборки, погрузки и транспортирования подсушенного осадка на иловых площадках устраивают дороги для проезда автотранспорта и механизмов, а также съезды на карты.

Земледельческие поля орошения предназначаются для круглосуточного и круглогодичного обезвреживания сточных вод, используемых для полива и удобрения сельскохозяйственных культур. Однако такие поля нельзя создавать на территориях, находящихся в пределах I и II поясов зоны санитарной охраны источников; в непосредственной близости от выклинивания водоносных горизонтов, а также при наличии трещиноватых пород и карстов, не перекрытых водоупорным слоем; в местах со стоянием грунтовых вод на глубине менее 1,25 м от поверхности. При организации полей орошения необходимо предусмотреть устройство резервных полей фильтрации (25–30 % площади орошаемой территории) для приема сточных вод в неблагоприятные периоды года, во время уборки урожая и в других случаях, когда сточные воды не могут быть использованы для полива.

На земледельческих полях орошения можно выращивать технические, зерновые, кормовые и силосные культуры, однолетние и многолетние травы, овощи, употребляемые в пищу после термической обработки (свекла, тыква, кабачки, баклажаны и т. д.), сорта капусты, не применяемые для салата в свежем виде, картофель, плодоягодные и декоративные насаждения и т. п. В то же время запрещается сажать овощные культуры, идущие в пищу без термической обработки (морковь, петрушка, брюква, репа, редис, лук, сельдерей, огурцы, помидоры, салат и др.), а также бахчевые (арбузы, дыни) и ягоды (землянику и клубнику). При сборе урожая с орошаемых участков нельзя складывать овощи на землю. Их следует укладывать или непосредственно в тару, или на специальную подстилку.

Поля фильтрации служат только для очистки жидкой фазы сточных вод. При выборе территории для их расположения руководствуются теми же правилами, что и при подборе места для полей орошения. Наиболее подходящие грунты для полей фильтрации — пески и супеси. Поля фильтрации следует располагать ниже водозаборных сооружений по течению грунтового потока. Расстояние от водозаборных сооружений определяется величиной радиуса депрессионной воронки водозаборной скважины, но должно быть не меньше 200 м для легких суглинков, 300 — для супесей и 500 м — для песка. В отличие от полей орошения на поля фильтрации допускают значительно большую нагрузку, при их оборудовании обязателен дренаж. Процесс окисления органических веществ в почве должен происходить непрерывно. Поэтому при снижении ее фильтрационной способности необходимо перепахать и пробороновать участки.

Биологические фильтры — это сооружения, где происходит искусственный процесс биологической очистки сточных вод. Биофильтр состоит из следующих основных частей: емкостей соответствующих размеров, устроенных из кирпича или железобетона; фильтрующей загрузки; распределительного устройства, обеспечивающего равномерное (с небольшими интервалами) орошение поверхности фильтрующей загрузки; днища с дренажем, посредством которого отводится очищенная вода и поступает в сооружение необходимый для окислительного процесса воздух. Материал фильтрующей загрузки должен быть достаточно пористым, так как это способствует хорошей вентиляции фильтра, но вместе с тем прочным и стойким к механическим и химическим воздействиям. Этим требованиям удовлетворяют котельный шлак, определенные сорта угля, кокс, гравий, щебень твердых пород и хорошо обожженный керамзит.

Проходя через фильтрующую загрузку биофильтра, загрязненная вода оставляет в ней вследствие адсорбции взвешенные и коллоидные органические вещества (не осевшие в первичных отстойниках), которые создают биопленку, густо заселенную микроорганизмами. Они окисляют органические вещества и получают необходимую для своей жизнедеятельности энергию. Часть растворенных органических веществ микроорганизмы используют как пластический материал для увеличения своей массы. Таким образом, из сточной воды удаляются органические вещества, а в теле биофильтра увеличивается масса активной биологической пленки. Отработанная и омертвевшая пленка смывается протекающей сточной водой и выносится из тела биофильтра.

Схема работы биофильтра проста. Осветленная в первичных отстойниках сточная вода самотеком (или под напором) поступает в распределительные устройства, которые периодически напускают ее на поверхность биофильтра. Профильтрованная сквозь толщу биофильтра вода проходит через отверстия в дырчатом дне (дренаж) и поступает на сплошное непроницаемое днище, с которого стекает по отведенным лоткам, расположенным за пределами биофильтра.

Затем она поступает во вторичные отстойники, которые задерживают выносимую пленку и отделяют ее от очищенной сточной воды.

Биофильтр отличается от аэрофильтра тем, что последний интенсивно продувается снизу вверх воздухом. Поэтому процесс окисления в аэрофильтрах проходит значительно интенсивней, чем в обычных биофильтрах (приблизительно в 2 раза), и, следовательно, количество очищаемой сточной жидкости в данном случае может быть значительно выше.

Аэротенк представляет собой резервуар, в котором медленно движется смесь активного ила и очищаемой сточной жидкости. Для их лучшего и непрерывного контакта они постоянно перемешиваются при помощи сжатого воздуха или специальных приспособлений. Нормальной жизнедеятельности микроорганизмов-минерализаторов в аэротенке способствует непрерывное поступление туда кислорода воздуха.

Активный ил — это биценоз микроорганизмов-минерализаторов, способных сорбировать на своей поверхности и окислять в присутствии кислорода воздуха органические вещества сточной жидкости. Смесь сточной жидкости с активным илом должна аэрироваться на всем протяжении аэротенка. Это необходимо не только для того, чтобы обеспечить микроорганизмы-минерализаторы достаточным количеством кислорода воздуха, но и для поддержания ила во взвешенном состоянии. Кислород нагнетается в аэротенк с воздухом воздуходувками или засасывается из атмосферы при сильном перемешивании содержимого аэротенка.

Биологическая пленка или активный ил задерживаются вторичными отстойниками. Последние используются и как контактные резервуары, перед которыми в сточную воду подают хлорный раствор. Вторичные отстойники, составляющие с аэротенками технологически связанные сооружения, служат только для отделения активного ила от очищенной в аэротенке сточной воды.

Биологические пруды применяют как самостоятельные биологические очистные устройства или в качестве сооружений для конечной стадии очистки сточных вод, предварительно обработанных на биологических сооружениях (биофильтрах, аэротенках). В первом случае сточные воды, пройдя отстойники, разбавляются до поступления в пруды 3–5 объемами технической или хозяйственно-питьевой воды.

Средняя глубина в биологических прудах должна (в зависимости от местных условий) не превышать 1 м, но и не быть менее 0,5 м. Весной, перед пуском биологических прудов в эксплуатацию, производят вспашку их дна. После вспашки пруды заполняют сточной водой и выдерживают почти до полного исчезновения из нее аммонийного азота. Срок «созревания» прудов для средней полосы СССР не менее одного месяца. Осенью, после окончания работы биологических прудов, воду из них спускают. В зимнее время в биологических прудах намораживают воду.

Сточные воды любого населенного пункта содержат патогенные микробы. В связи с этим обеззараживание сточных вод необходимо во всех случаях применения искусственной очистки. В настоящее время обеззараживают жидким хлором (доза активного хлора после механической очистки — не менее 30 мг/л, неполной биологической — 15 мг/л, полной искусственной биологической очистки — 10 мг/л). На небольших очистных сооружениях производительностью до 1 тыс. м³/сут допускается использование хлорной извести, на крупных сооружениях применяется жидкий хлор и процесс хлорирования автоматизирован.

Хлорирование сточной жидкости производится в специальных контактных резервуарах, устраиваемых по типу горизонтальных или вертикальных отстойников. Продолжительность контакта хлора с жидкостью — не менее 30 мин, поэтому если очищенная вода проходит от станции очистки до водоема в течение 30 мин или более, то такие резервуары не нужны. Если в сточной жидкости содержится не менее 1,5 мг/л остаточного активного хлора, то она может считаться обеззараженной.

Сточные воды промышленных предприятий, в отличие от хозяйственно-бытовых, характеризуются высоким содержанием растворенных веществ, которые указанными выше способами не извлекаются. Для их удаления применяют самые различные методы очистки. Выбор метода зависит от того, в каком состоянии обнаружено вещество в сточной воде — в молекулярном или в диссоциированном на ионы. Так, для веществ, которые находятся в воде в молекулярно-растворенном состоянии, рекомендуют сорбцию с помощью различных сорбентов, десорбцию аэрацией, обработку воды окислителями (для органических веществ) и др. В случае диссоциации вещества на ионы методы очистки сточных вод направлены на образование малорастворимых соединений (карбонатов, сульфатов и пр.), перевод токсичного иона в малотоксичный комплекс (перевод цианидов в ферроцианиды), создание малодиссоциированных молекул при взаимодействий водородных и гидроксильных ионов, извлечение из воды ионов при электродиализе, замену токсичных ионов безвредными при Н⁺- и ОН^—-ионировании и многое другое.

В настоящее время сточные воды часто доочищают для повторного использования в производственном водоснабжении. Такая их доочистка вызвана тем, что в ряде случаев в воде наблюдается повышенное солесодержание, биологически неокисляемые органические вещества, канцерогенные соединения и др. Метод доочистки стоков выбирают в зависимости от конкретных остаточных загрязнений воды. Так, для очистки сильноминерализованных стоков с успехом применяется метод термического опреснения, при котором дистиллят, полученный из стоков, используется как обессоленная вода.

В случае органически загрязненных стоков практикуется адсорбционная доочистка в псевдосжиженном или неподвижном слое активированного угля, а для корректировки минерального состава — умягчение на ионообменных фильтрах. Адсорбционно доочищенная и умягченная вода — важный источник пополнения водооборотных систем. В такой воде отсутствуют взвешенные, органические, поверхностно-активные и другие загрязняющие вещества, а ее качество выше, чем у охлажденной воды. К тому же умягченная вода не требует продувки водооборотных систем. Повторное использование доочищенных стоков резко сокращает потребление свежей воды из источников (в 20–25 раз).

Производственные сточные воды, содержащие токсические органические и минеральные вещества, все чаще обезвреживаются с помощью огневого метода. Под влиянием высокой температуры в процессе горения органического топлива токсичные органические вещества окисляются и полностью сгорают, а минеральные — частично выводятся в виде расплава, частично выносятся с дымовыми газами в виде мелкой пыли и паров. Наиболее универсальны и эффективны циклонные печи (реакторы). Они являются основными агрегатами комплексных установок огневого обеззараживания жидких отходов. Каждая такая установка включает в себя циклонный реактор с гарнисажной охлаждаемой футеровкой, стол-кристаллизатор, скруббер-охладитель, скоростной газопромыватель типа Вентури с каплеотбойниками, емкостный парк с насосной и дымовую трубу.