Чебакова И.Б. Очистка сточных вод

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования Российской Федерации

Омский государственный технический университет

И. Б. Чебакова

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

Учебное пособие

ОМСК - 2001

УДК 628.543(075)

ББК 38.761.2я73

Ч 34

Рецензенты:

Я. Р. Рейнгард, зав. кафедрой «Экология и биология» Омского

государственного аграрного университета, доц., канд. с.-х. наук;

Ф. П. Туренко, зав. кафедрой «Инженерная экология и химия»

Сибирской государственной автодорожной академии, д-р хим. наук.

Чебакова И. Б.

Ч 34 Очистка сточных вод: Учебн. пособие. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001. – 84 с.

Приведены сведения о способах очистки сточных вод промышленных

предприятий от взвешенных частиц, органических и неорганических за-

грязнений с применением физико-химических методов. Рассмотрены ме-

тоды расчета и схемы очистки.

Рекомендуется для самостоятельной работы студентам очной и заоч-

ной

форм обучения специальности 330200 – «Инженерная защита окру-

жающей среды» при изучении курса «Теоретические основы защиты ок-

ружающей среды»

технический университет, 2001

ВВЕДЕНИЕ

В условиях НТР значительно усложнились взаимоотношения человеческого

общества с природой. Человек получил возможность влиять на ход естественных

процессов. Добывая полученные полезные ископаемые, он изымает вещества из

почвы и грунта; загрязняя промышленными выбросами воздух, внедряет в его со-

став новые компоненты; забирая воду на орошение, осушая болота, изменяет вод-

ный баланс; сжигает

топливо, что влечет за собой выделение тепла и изменение

альбедо, влияет на электрический баланс планеты.

С учетом основных свойств атмосферы, гидросферы и литосферы должны разра-

батываться и осуществляться методы по предупреждению попадания вредных ве-

ществ в окружающую среду, путем совершенствования технологии и создания эф-

фективных очистных систем с рекуперацией отходов.

Это необходимо не только для

обеспечения нормальных условий труда на существующих производствах и защиты

окружающей среды от загрязнений, но и как важный этап в разработке прогрессив-

ной малоотходной и безотходной технологии, позволяющий наиболее полно и эф-

фективно использовать природные ресурсы.

Под безотходной технологией понимается такой способ осуществления произ-

водства продукции, при

котором наиболее рационально и комплексно используются

сырье и энергия в цикле сырьевые ресурсы – производство – потребитель – вторич-

ные ресурсы, таким образом, что любые воздействия на окружающую среду не на-

рушают ее нормального функционирования.

Развитие промышленности вызвало серьезные нарушения в круговороте ряда

веществ, например оксидов и диоксидов углерода, серы, азота и др.

В настоящее

время в результате большого количества отходов промышленного, сельскохозяй-

ственного и бытового происхождения нарушаются условия, позволяющие приро-

де в прошлом успешно справляться с утилизацией отходов с помощью бактерий,

воды, воздуха, воздействий солнечного света.

В связи с ростом количества загрязнений во многих странах приняты ограни-

чения на выброс вредных веществ промышленными

предприятиями путем введе-

ния ПДК (предельно допустимых концентраций) и ПДВ (предельно допустимых

выбросов).

Под ПДК понимают такую концентрацию химических соединений, которая

при ежедневном воздействии на человека в течение длительного времени не вы-

зывает в его организме каких-либо патологических изменений или заболеваний.

ПДК

рз

, ПДК

сс

, ПДК

мах. раз.

В целях защиты окружающей среды работа промышленных предприятий

должна быть организована таким образом, чтобы образующиеся отходы превра-

щались в новые продукты. Создание малоотходных и безотходных технологий

является оптимальным на данном этапе.

Наибольший удельный вес загрязнений атмосферного воздуха приходится на

долю оксидов углерода, серы, азота, углеродоводородов и промышленной пыли.

Основными источниками

загрязнений являются транспорт (70 %), а также про-

мышленность, тепловые электростанции, установки сжигания твердых отходов.

Кроме того, атмосфера всегда содержит определенное количество примесей,

поступающих от естественных источников.

К числу примесей, выделяемых естественными источниками, относят:

пыль (растительного, промышленного, вулканического происхождения, воз-

никшая при эрозии почвы, частицы морской соли), туман, дым, газы от лес-

ных пожаров, газы вулканического происхождения, различные продукты рас-

тительного животного и микробиологического

происхождения и другие.

Естественные источники загрязнений бывают:

- распределенными (выпадение космической пыли);

- кратковременными, стихийными (лесные пожары, степные пожары, извер-

жение вулкана и т.п.).

Естественный уровень загрязнений атмосферы является фоновым и мало из-

меняется с течением времени.

Более устойчивые зоны с повышенными концентрациями загрязнений возни-

кают в местах активной жизнедеятельности человека

. Антропогенные загрязнения

отличаются многообразием видов и многочисленностью источников.

В атмосферу Земли ежегодно выбрасывается 250⋅10

т пыли, 200⋅10

т оксидов

углерода, 150⋅10

т диоксида серы, 50⋅10

т различных углеводородов и 20⋅10

т ди-

оксида углерода.

Сейчас наша промышленность использует практически все элементы таблицы

Менделеева (примерно 104), что приводит к загрязнению атмосферы аэрозолями

тяжелых и редких металлов, синтетическими соединениями, не существующими

и не образующимися в природе, радиоактивными, канцерогенными, бактериоло-

гическими и другими веществами.

Промышленность: черная и цветная металлургия, нефтедобыча, нефтехимия,

предприятия по производству

стройматериалов, химическая промышленность.

Кроме CO

, SO

, NO

, C

, пыли в атмосферу выбрасываются и другие более

токсичные вещества. Например, вентиляционные выбросы заводов электронной

промышленности содержат пары плавиковой, серной, хромовой и других мине-

ральных кислот, органические растворители.

Загрязнения, поступающие в атмосферу, с осадками возвращаются на Землю

и попадают в водоемы и почвы. Сточными водами предприятий промышленно-

сти и агропромышленного комплекса

загрязняются реки, озера и моря (мировой

океан). В них попадают отходы, содержащие соли различных металлов, удобре-

ния, пестициды, моющие средства, масла и нефтепродукты, радиоактивные веще-

ства и др. Считается, что в водоем попадает свыше 500 000 различных веществ.

Тяжелые металлы: свинец, ртуть, цинк, медь, кадмий попавшие в водоем − ак-

тивно поглощаются рыбами

и животными, которые или сами погибают, или от-

равляют людей, использующих их в пищу. Известны случаи отравления ртутью,

которая попадала в организм людей вместе с рыбой.

Значительное водопотребление привело к ухудшению экологического состояния

в ряде регионов. Например, в результате безвозвратного изъятия почти всего стока

рек Амударьи и Сырдарьи объем воды

в Аральском море за последние 30 лет

уменьшился на 60 %. Уровень моря продолжает падать, а соленость повышается.

Растет соленость и Азовского моря.

Площадь загрязнения Мирового океана нефтью и нефтепродуктами достигла

уже 1/5 его общей поверхности. В результате аварии судов, промывки резервуа-

ров танкеров, утечке нефти при добыче ее в шельфовой зоне ежегодно в воды

океана попадает (12 –15)⋅10

т нефти. Каждая тонна нефти покрывает тонкой

пленкой 12 км

водной поверхности и загрязняет до миллиона тонн воды. Неф-

тяная пленка приводит к гибели оплодотворенной икры, нарушает процессы фо-

тосинтеза и выделения кислорода, осуществляемого фитопланктоном, т.е. про-

исходит нарушение газо-, влагообмена между атмосферой и гидросферой.

Так, 95 % от вносимого количества пестицидов не достигают объектов подав-

ления, они попадают в почву,

воздух и водоемы. Пестициды оказывают отрица-

тельное влияние на живую природу и человека. Многие из них являются канцеро-

генными и обнаруживают мутагенную активность. Велики потери из-за уничто-

жения ими насекомых опылителей.

Мощность всех источников тепла на Земле 10

Вт, а мощность солнечной

энергии, поступающей на Землю, 10

Вт. По расчетам, чтобы не было глобального

влияния теплового загрязнения, мощность источников энергии на Земле не может

быть увеличена более чем в 10 раз.

Причиной теплового “загрязнения“ водоемов является сброс нагретых вод из

систем охлаждения (особенно водами тепловых электростанций), через них про-

ходит до 5 % от потребляемых промышленностью пресных вод. Этот показатель

непрерывно

возрастает. Тепловое “загрязнение“ влияет на термический и биоло-

гический режимы водоемов.

Сточная вода - это вода бывшая в употреблении, а также вода, прошедшая

какую-либо загрязненную территорию. В зависимости от условий образования

сточные воды делятся на хозяйственно-бытовые, атмосферные (или поверхност-

ные) и промышленные.

Загрязняющие вещества по физическому состоянию можно разделить

на не-

растворимые, растворимые и коллоидные примеси. По биохимическому составу

загрязнения делятся на минеральные, органические, биологические. К минераль-

ным относятся – песок, глина (глинистые частицы), частицы руды, шлака, мине-

ральных солей и другие. Органические подразделяются по своему происхожде-

нию на растительные и животные. Растительные - это остатки растений, плодов,

овощей, злаков, растительного масла

и т.п. Органические загрязнения животного

происхождения - это физиологические выделения людей и животных, остатки

тканей животных, клеевые вещества и другие. Бактериальные и биологические

вносятся, главным образом, бытовыми сточными водами стоками некоторых про-

мышленных предприятий (кожевенные заводы, фабрики первичной обработки

шерсти, предприятия микробиологической промышленности и т.п.). По степени

агрессивности производственные

сточные воды разделяют на слабоагрессивные

(слабокислые и слабощелочные), сильноагрессивные (сильнокислые и сильноще-

лочные) и неагрессивные.

Хозяйственно-бытовые – это стоки столовых, бань, прачечных, туалетов и

другие. В бытовых сточных водах органические вещества в загрязнениях состав-

ляют примерно 58 % и минеральные - 42 %. Атмосферные сточные воды образу-

ются в результате выпадения атмосферных осадков и стекающие с территорий

предприятий. Они загрязняются органическими и минеральными веществами.

На территории промышленных предприятий образуются

сточные воды трех

видов: бытовые, поверхностные, и производственные. Например, машинострои-

тельные предприятия используют воду:

- на охлаждение (подогрев) исходных материалов и продукции, деталей и уз-

лов технологического оборудования;

- приготовление различных технологических растворов;

- промывку, обогащение, очистку исходных материалов или продукции;

- хозяйственно-бытовое обслуживание.

Бытовые сточные воды предприятий образуются

при эксплуатации на его терри-

тории душевых, туалетов прачечных и столовых. Предприятие не отвечает за ка-

чество сточных вод этого вида и направляет их на городские станции очистки.

Поверхностные сточные воды промышленных предприятий образуются в ре-

зультате смывания дождевой, талой и поливочной водой примесей скапливаю-

щихся на крышах и стенах производственных

зданий и на территории предпри-

ятия. Основными примесями этих вод являются твердые частицы (песок, камень,

стружки и опилки, пыль, сажа, остатки растений и деревьев и т.п.), нефтепродук-

ты (масла, бензин, керосин), используемые в двигателях транспортных средств, а

также органические и минеральные удобрения, используемые в заводских скве-

рах, цветниках и

теплицах. Каждое предприятие отвечает за загрязнение водо-

емов, поэтому необходимо знать объем сточных вод данного типа.

Расход поверхностных сточных вод рассчитывают по предельной интенсивно-

сти. Для каждого сечения водостока расчетный расход определяется по формуле

Q(AF)

⋅β

где А – параметр, характеризующий интенсивность осадков в зависимости от

климатических особенностей местности, в которой расположено предприятие;

FF=⋅η⋅α

- расчетная площадь стока;

- площадь территории предприятия;

- ко-

эффициент, зависящий от площади

;

- коэффициент стока, определяемый в зави-

симости от проницаемости поверхности;

- коэффициент замедления стока, учиты-

вающий особенности процессов сбора поверхностных сточных вод и движения их в

лотках и коллекторах.

Производственные сточные воды образуются в результате использования во-

ды в технологических процессах. Их количество и состав определяются типом

предприятия, его мощностью, видами используемых технологических процессов,

от состава исходной свежей воды и от

местных условий, схемы водообеспечения

и водоотведения промышленных предприятий.

Производственные сточные воды содержат различные примеси и подразделя-

ются на три группы.

1) Загрязненные преимущественно минеральными примесями (металлургиче-

ская, машиностроительная, рудо- и угледобывающая промышленность, заводы по

производству минеральных удобрений, кислот, строительных материалов).

2) Загрязненные преимущественно органическими примесями (предприятия

мясной, рыбной, молочной, пищевой, целлюлозно-бумажной, химической, мик-

робиологической промышленности, заводы по производству пластмасс, каучука).

3) Загрязненные минеральными и органическими примесями (предприятия

нефтедобывающей,

нефтеперерабатывающей, нефтехимической, текстильной,

легкой, фармацевтической промышленности, заводы по производству сахара,

продуктов органического синтеза, витаминов, консервов).

Большое количество забираемой для обеспечения промышленных предпри-

ятий воды возвращается в водоемы с различной степенью загрязнения.

Для очистки сточных вод промышленных предприятий используют различные

методы, отличающиеся степенью очистки, сложностью используемого оборудо-

вания, энергетическими затратами. Все применяемые

методы можно разделить на

механические, физико-химические, химические и биохимические. Механические

методы применяются для очистки сточных вод от грубодисперсных примесей

(например, отстаивание, процеживание и фильтрация, центробежное фильтрова-

ние). Физико-химические методы применяют для очистки сточных вод от мелко-

дисперсных примесей, от минеральных и органических примесей (например, коа-

гуляция, флокуляция, ионный

обмен, сорбция, осмос, экстракция и др.). К хими-

ческим методам относят нейтрализацию, окисление и восстановление, реагентные

методы очистки, применяемые для удаления ионов тяжелых металлов. Биохими-

ческий метод применяют для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных

сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических

(сероводорода, сульфидов, нитритов, аммиака) веществ. Процесс очистки

основан

на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания в про-

цессе жизнедеятельности – органические вещества для микроорганизмов являют-

ся источником углерода.

В последние годы область применения физико-химических методов очистки

расширяется, а доля их среди других методов возрастает. К физико-химическим

методам относятся: коагуляция, флокуляция, флотация, сорбция (адсорбция и аб-

сорбция), экстракция, ионный обмен, диализ, мембранные процессы, эвапорация,

выпаривание, кристаллизация, магнитная обработка, а также методы, связанные с

наложением электрического поля (электрокоагуляция, электрофлотация, электро-

диализ и другие). Эти методы используют для удаления из сточных вод тонкодис-

персных взвешенных частиц (твердых и жидких), минеральных и органических

веществ. Использование физико-химических методов имеет ряд

преимуществ.

1. Возможность удаления из сточных вод токсичных, биохимически не окис-

ляемых органических загрязнений.

2. Достижение более глубокой и стабильной степени очистки по сравнению с

механической.

3. Меньшие размеры сооружений (по сравнению с механической очисткой).

4. Меньшая чувствительность к изменениям нагрузок.

5. Возможность полной автоматизации.

6. Более глубокая изученность кинетики процессов, происходящих при физи-

ко-химической очистке, а также вопросов моделирования, математического опи-

сания и оптимизации, что важно для правильного выбора и расчета аппаратуры.

7. Методы не связаны с контролем за деятельностью живых микроорганизмов

в отличие от биохимической очистки.

Возможность рекуперации различных веществ.

Выбор того или иного метода (или нескольких методов, составляющих ступе-

ни очистки) проводят с учетом санитарных и технологических требований,

предъявляемых к очищенным сточным водам с целью дальнейшего их использо-

вания, а также с учетом количества сточных вод и концентрации загрязнений в

них, наличия необходимых материальных и энергетических

ресурсов.

Очистные сооружения, как правило, должны размешаться на территории

предприятия. При выборе схемы и метода очистки сточных вод промышленных

предприятий необходимо учитывать:

1. требования к качеству воды в различных технических процессах;

2. количество и состав сточных вод отдельных производственных цехов и

предприятий в целом, а также режимы водоотведения;

3. целесообразность

очистки сточных вод отдельных цехов и сточных вод

предприятия в целом;

4. возможность повторного использования производственных сточных вод в

системе оборотного водоснабжения или технологических нужд другого производ-

ства, где допустимо применять воду более низкого качества;

5. целесообразность извлечения и использования ценных веществ, содержа-

щихся в сточных водах;

6. возможность разделения сточных

вод для повторного использования неза-

грязненных и обработки загрязненных;

7. возможность использования в технологических процессах очищенных бы-

товых сточных вод;

8. экономическую эффективность применения того или иного метода очистки;

9. способность водоема к самоочищению;

10. условия спуска производственных сточных вод.

1. КОАГУЛЯЦИЯ

Коагуляция −это слипание частиц коллоидной системы при столкновениях в

процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемешива-

ния во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты -

более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления мелких (первич-

ных) частиц. Первичные частицы в таких агрегатах соединены силами межмоле-

кулярного взаимодействия непосредственно или через

прослойку окружающей

(дисперсной) среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением

частиц и снижением их общего числа в объеме дисперсной среды. Слипание од-

нородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных гетерокоагуяцией.

Производственные сточные воды в большинстве случаев представляют собой

слабоконцентрированные эмульсии или суспензии, содержащие коллоидные час-

тицы размером 0,003 − 0,1 мкм, мелкодисперсные частицы 0,1 − 10 мкм,

а также

частицы размером 10 мкм и более. В процессе механической очистки сточных вод

достаточно хорошо удаляются частицы размером 10 мкм и более, мелкодисперс-

ные и коллоидные частицы практически не удаляются. Таким образом, сточные

воды многих производств после сооружений механической очистки представляют

собой агрегативно устойчивую систему. Для их очистки применяются методы

коагуляции: агрегативно

устойчивая система при этом нарушается, образуются

более крупные агрегаты частиц, которые удаляются из сточных вод механически-

ми методами. Одним из видов коагуляции является флокуляция, при которой

мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под действием специ-

ально добавляемых веществ (флокулянтов) образуют интенсивно оседающие

рыхлые скопления.

Методы коагуляции и флокуляции широко распространены

для очистки сточ-

ных вод предприятий химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей,

целлюлозно-бумажной, легкой, текстильной и других отраслей промышленности.

Эффективность коагуляционной очистки зависит от многих факторов:

- вида коллоидных частиц;

- концентрации и степени дисперсности коллоидных частиц;

- наличия в сточных водах электролитов и других примесей;

- величины электрокинетического потенциала.

В сточных водах

могут содержаться твердые (глина, волокна, цемент, кри-

сталлы солей и т.п.) и жидкие (нефть и нефтепродукты, смолы и другие) загрязне-

ния. Коллоидные частицы, представляющие собой совокупность большого числа

молекул вещества, содержащегося в сточной воде в диспергированном состоя-

нии, при перемешивании прочно удерживают покрывающий их слой воды. Обла-

дая большой

удельной площадью поверхности, коллоидные частицы адсорбируют

находящиеся в воде ионы преимущественно одного знака, которые значительно

снижают свободную поверхностную энергию коллоидной частицы. Ионы, непо-

средственно прилегающие к ядру, образуют слой поверхностно-ядерных ионов,

или так называемый адсорбционный слой. В этом слое может находиться также

небольшое количество противоположно заряженных ионов, суммарный заряд ко

торых, однако, не компенсирует заряда поверхностно-ядерных ионов. В связи с

тем, что на границе адсорбционного слоя создается электрический заряд, вокруг

гранулы (ядра с адсорбционным слоем) образуется диффузионный слой, в кото-

ром находятся остальные противоположно заряженные ионы, компенсирующие

заряд гранул. Гранула вместе с диффузионным слоем называется мицеллой.

На рис 1.1

показано изменение электрического слоя мицеллы. Потенциал на

границе ядра - термодинамический потенциал (ε-потенциал) равен сумме зарядов

всех поверхностно-ядерных ионов. На границе адсорбционного слоя ε-потенциал

уменьшается на величину, равную сумме зарядов, находящихся в адсорбционном

слое противоположно заряженных ионов. Потенциал на границе адсорбционного

слоя называется электрокинетическим потенциалом (ξ-потенциал).

На

частицы коллоидов действуют диффузионные силы и частицы стремятся

равномерно распределиться во всем объеме жидкой фазы. Наличие у частиц элек-

трических зарядов одного знака вызывает у них взаимное отталкивание. Одновре-

менно между коллоидными частицами действуют межмолекулярные силы взаим-

ного притяжения, которые проявляются лишь при небольших расстояниях между

частицами. Чтобы вызвать коагуляцию коллоидных

частиц, необходимо снизить

величину их ξ-потенциала до критического значения добавлением ионов, имеющих

положительный заряд. Таким образом, при коагуляции происходит дестабилизация

коллоидных частиц вследствие нейтрализации их электрического заряда. При сни-

жении электрического заряда частиц, т.е. при снижении ξ-потенциала, силы оттал-

кивания уменьшаются, и становится возможным слипание частиц – процесс

коагу-

ляции коллоида. Для начала коагуляции частицы должны приблизиться друг к дру-

гу на расстояние, при котором между ними действуют силы притяжения и химиче-

ского сродства. Сближение частиц происходит в результате броуновского движе-

ния, а также при ламинарном или турбулентном движении потока воды.

ξ>0,03 В

Б А

= 0 В

Рис.1.1. Строение мицеллы: А – адсорбционный слой; Б – диффузи-

онный слой; 1 - ядро

а)

)