Штриплинг Л.О., Туренко Ф.П. Основы очистки сточных вод и переработки твердых отходов

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Л.О. Штриплинг, Ф.П. Туренко

Основы очистки сточных вод

и переработки твердых отходов

Учебное пособие

Допущено учебно-методическим объединение вузов по университетскому

политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов

высших учебных заведений, обучающихся по направлению

656600 (280200) – «Защита окружающей среды»

(специальности 330200 (280202) – Инженерная защита окружающей среды)

Омск-2005

УДК 502 (075)

ББК 20. 18я 73

Ш 93

Рецензенты:

А.И. Григорьев, д-р биол. наук, проф. ОмГПУ ;

А.А. Файков, канд. геол.-минер.наук, начальник Отдела природопользования

Министерства промышленной политики, транспорта и связи Омской области.

Штриплинг Л.О., Туренко Ф.П.

Ш 93 Основы очистки сточных вод и переработки твердых отходов: Учеб. посо-

бие.– Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. – 193 с.

ISBN

Учебное пособие составлено в соответствии с Государственным образова-

тельным стандартом для очной и заочной форм обучения по специальности

280202 – «Инженерная защита окружающей среды» при изучении курса «Теоре-

тические основы защиты окружающей среды».

В пособии изложены физико-химические процессы способов и технологий

переработки промышленных отходов: твердых, сточных вод, газообразных вы-

бросов и их воздействие на окружающую среду.

УДК 502 (075)

ББК 20. 18я 73

Печатается по решению редакционно-издательского совета Омского

государственного технического университета

Туренко Ф.П., 2005

ISBN технический университет, 2005

ВВЕДЕНИЕ

С ростом благосостояния и общего материально-технического потенциала

общества усиливается тенденция глобальной деградации окружающей природной

среды за счет нерегулируемого, неупорядоченного ресурсопотребления.

Истощение природных ресурсов составляет главный количественный крите-

рий глобального экологического ущерба, резко ухудшающий условия жизни всех

объектов биосферы. Изменения окружающей природной среды в результате гло-

бального техногенеза породили проблему выживания общества.

Рост концентрации диоксида углерода приводит не только к росту средних тем-

ператур, но и к изменению структуры атмосферной циркуляции, глобальному пере-

распределению осадков, а, следовательно, и изменению продуктивности биоты.

Загрязнение Мирового океана меняет характер энергообмена «океан – атмо-

сфера» и уменьшает испарение с водной поверхности, являющейся основным ис-

точником влаги на Земле.

Вырубка лесов, увеличение площади пустынь, замена естественных ценозов

узкоспециализированными агроценозами, осушение болот, создание искусствен-

ных водохранилищ меняют альбедо земной поверхности и структуру естествен-

ного круговорота химических элементов.

Кислотные дожди отравляют почву, губят урожаи, разрушают памятники

старины, попадая в почву, они выщелачивают ее и уносят из нее такие питатель-

ные вещества, как кальций, магний, калий и натрий, убивая микроорганизмы.

Проникая в тонкую структуру листьев и ветвей, кислотный дождь отравляет рас-

тения, опасно снижает интенсивность фотосинтеза и всхожесть семян.

Кислотные дожди загрязняют пищу и питьевую воду кислотными и ядовиты-

ми металлами (ртуть, медь, свинец и др.), образующимися при разложении ме-

таллических и других предметов под действием на них кислотных дождей.

Реальная опасность погубить жизненную среду обитания на планете побуди-

ла промышленно развитые страны повернуться лицом к экологическим пробле-

мам, выделяются огромные средства, призванные компенсировать ущерб, причи-

няемый природе, но это всего лишь полумеры, поскольку не изменяется ни в ка-

чественном, ни в количественном выражении сама поступь научно-технического

«прогресса», оказывающего все возрастающее негативное влияние своим про-

мышленным, индустриальным воздействием на все природные объекты.

Интеллектуальные истоки современного научно-технического прогресса не

одухотворены той необходимой культурой знаний, которая позволяет использо-

вать опыт всех времен и поколений во имя процветания живого организма плане-

ты, гармонии природы и общества.

Приходится развертывать деятельность по ликвидации результатов деятельности.

Необходимо воздействовать на биосферу, адаптируя ее к нашим целям и потребно-

стям, а сами эти цели и потребности адаптировать к возможностям биосферы, меняя

многие привычные для нас стандарты. Комплексное понимание системы «Человек –

Природа» и ее изменений как гармонического развития человеческой деятельности и

природы составляет интеллектуальный базис экологизации современного научно-

технического прогресса, который должен опираться на следующие принципы:

1. Духовное начало жизни является основой экологической морали, способ-

ствующей выживанию природы и общества.

2. Образование и воспитание будущего специалиста должно строиться на

принципах экологического мышления.

3. Главная заповедь инженера – «не повреди биосферу».

4. Мыслить глобально, действовать – локально.

5. Реализация экологически репрезентативных моделей управления техно-

сферой в масштабах отдельных территорий и планеты в целом.

6. Развитие норм хозяйствования на основе коэволюции человека и биосферы.

7. Комплексная унификация экологических критериев защиты природы на

основе единых норм рационального использования природных ресурсов.

8. Единство действий вытекает из единства природы.

9. Наука, техника, производство должны оцениваться и развиваться только в

ключе экологической состоятельности на текущий момент и перспективу.

10. Экологическая когерентность всех направлений научно-технической

деятельности.

Ни одно инженерное обоснование не обходится без расчета. Но в лабиринте

математических формул и обозначений необходимо видеть живую душу Приро-

ды, которой предстоит принять на себя творение рук человеческих. Расчет –

весьма ответственный инструмент в арсенале инженера. Он может вывести нас на

такие цифры, которые будут одних устраивать, а других нет. Любая расчетная

модель строится на тех или иных допущениях, ограничениях и прочих условно-

стях, по которой затем предстоит работать конструктору, технологу, производ-

ственнику. Результат расчета зависит также от достоверности исходных данных,

которые используют для получения конечных выводов.

До сих пор в задачах оптимизации преобладают прагматические тенденции,

когда в качестве приоритетов выдвигаются потребительские интересы («всего

побольше и подешевле»). Зачастую стремление к снижению себестоимости про-

екта вступает в противоречие с логикой сохранения качества окружающей среды,

с логикой выживания.

Экологические ошибки и промахи отнюдь не всегда объективно неизбежны.

И природа нередко становится заложницей тех псевдоэкологических обоснова-

ний, которые были воплощены в смертельные для нее технические проекты, об-

леченные сиюминутными хозяйственными интересами.

Современный инженер-эколог, это прежде всего человек, наделенный эколо-

гической культурой в своей профессиональной деятельности.

Это специалист, который:

• осознавая объективную неизбежность негативного влияния создаваемого им

проекта, изыщет все возможные резервы для минимизации экологического риска

и ущерба природной среде;

• в каждом конкретном случае выявит экологически оптимальный механизм

сосуществования и поддержания устойчивого динамического равновесия есте-

ственного и искусственного;

• воспринимает принцип «не убий» в глубоко осознанном его значении, про-

низывающем все аспекты инженерной деятельности.

Глава I. ОСНОВЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

1. Показатели качества природных вод

Природные воды бывают поверхностные, подземные и биосферные. Поверхност-

ные природные водные объекты разделяются на водоемы, водотоки, моря и океаны.

Качество природных и сточных вод определяется их составом и свойствами.

Нормирование качества воды рек, озер, водохранилищ проводят в соот-

ветствии с «Санитарными правилами и нормами охраны поверхностных вод

от загрязнений». «Санитарные правила и правила охраны поверхностных вод

от загрязнений» устанавливают две категории водоемов:

1 категория – водоемы питьевого и культурно-бытового назначения;

2 категория – водоемы рыбохозяйственного назначения.

Нормы качества воды устанавливаются с учетом вида водопользования.

Качество воды водных объектов определяется следующими основными пока-

зателями:

- содержание взвешенных веществ;

- плавающие примеси (пленка, пятна, скопления);

- запах и вкус;

- окраска;

- температура;

- состав и концентрация минеральных примесей;

- значение рН;

- растворенный в воде кислород (ХПК);

- биохимическая потребность воды в кислороде (ВПК);

- возбудители заболеваний;

- состав и предельно допустимая концентрация ядовитых и вредных веществ;

- состав и содержание болезнетворных бактерий.

Предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества (ПДК) –

максимальная концентрация загрязняющих веществ в воде, при которой веще-

ство не оказывает прямого или опосредованного влияния на здоровье человека

(при воздействии на организм в течение всей жизни) и не ухудшает гигиениче-

ские условия водопользования.

ПДК вредных веществ, как показатель качества воды, устанавливается с уче-

том лимитирующего показателя вредности (ЛПВ) вредного вещества, под которым

понимают наиболее вероятное неблагоприятное воздействие каждого вещества.

При нормировании качества воды в водных объектах 1-ой категории исполь-

зуют три вида ЛПВ: санитарно-токсикологический, общесанитарный, органолеп-

тический. Для водоемов 2-ой категории, наряду с указанными, используют еще

два вида ЛПВ: токсикологический и рыбохозяйственный.

При оценке опасности загрязнения водных объектов используется соот-

ношение:

С/ПДК<1,

где С – концентрация вредного вещества в водоеме, г/м

; ПДК – предельно

допустимая концентрация вещества, г/м

Если значение соотношения больше единицы, то опасность загрязнения

существует.

При поступлении в водные объекты нескольких веществ с одинаковыми

ЛПВ, их концентрация должна удовлетворять условию:

/ПДК

+ С

/ПДК

+ …+ С

ПДК

<1,

где C

1,n

– фактические концентрации вредных веществ, г/м

; ПДК

1,n

– предельно

допустимые концентрации этих веществ, г/м

Предельно допустимые сбросы (ПДС) в водный объект – это масса загряз-

няющего вещества в сточных водах, максимально допустимая к отведению в

данном пункте водного объекта в единицу времени с целью обеспечения ка-

чества воды.

ПДС устанавливаются для предприятий, имеющих самостоятельные выпуски

сточных вод.

ПДС для всех категорий водопользования определяется по формуле

ПДС = Q∙С,

где Q – расход сточных вод; С – концентрация веществ в сточных водах.

ПДС устанавливается по каждому веществу, в том числе и по веществам,

относящимся к одной группе ЛПВ.

2. Классификация сточных вод

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

какую-либо загрязненную территорию.

В зависимости от условий образования сточные воды делятся на производ-

ственные, хозяйственно-бытовые, и атмосферные (или поверхностные).

Загрязняющие вещества по физическому состоянию можно разделить

- на нерастворимые,

- на растворимые,

- на коллоидные примеси.

По биохимическому составу загрязнения делятся на минеральные, органиче-

ские и биологические.

К минеральным относятся – песок, глина (глинистые частицы), частицы ру-

ды, шлака, минеральных солей и другие.

Органические подразделяются по своему происхождению на растительные и

животные. Растительные – это остатки растений, плодов, овощей, злаков, расти-

тельного масла и т.п. Органические загрязнения животного происхождения – это

физиологические выделения людей и животных, остатки тканей животных, клее-

вые вещества и другие.

Бактериальные и биологические вносятся, главным образом, бытовыми

сточными водами и стоками некоторых промышленных 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), сильно-

агрессивные (сильнокислые и сильнощелочные) и неагрессивные.

Производственные сточные воды образуются в результате использования

воды 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

водоотведения промышленных предприятий.

Производственные сточные воды содержат различные примеси и подразде-

ляются 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).

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 образуются в результате выпадения атмосфер-

ных осадков и стекающие с территорий предприятий. Они загрязняются органи-

ческими и минеральными веществами.

На территории промышленных предприятий образуются сточные воды трех

видов: бытовые, поверхностные и производственные.

Например, машиностроительные предприятия используют воду:

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

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

территории душевых, туалетов, прачечных и столовых.

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 предприя-

тия. 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.

Большое количество забираемой для обеспечения промышленных предприятий

воды возвращается в водоемы с различной степенью загрязнения.

3. Методы очистки сточных вод

Существует большое количество способов очистки сточных вод и различные

виды их классификации. Выбор способа очистки обычно определяется видом и

концентрацией преобладающих примесей сточных вод: механических (взвешен-

ных), растворенных и органических.

Существующие методы очистки сточных вод от примесей можно разделить на

механические, физико-химические, химические, биологические и др. (рис. 1.1).

Механические методы очистки применяются для очистки сточных вод от

взвешенных частиц путем процеживания, отстаивания, отделения взвешенных

частиц с использованием центробежных сил, фильтрования.

Физико-химические методы используются для очистки сточных вод от рас-

творенных примесей, также в некоторых случаях и от взвешенных частиц. Ос-

новными методами являются флотация, экстракция, нейтрализация, сорбция,

ионообменная очистка, гиперфильтрация, электрохимическая очистка, озониро-

вание, электрокоагуляция, эвапорация.

К химическим методам очистки сточных вод относятся нейтрализация,

окисление и восстановление. Химическая очистка может применяться как само-

стоятельный вид очистки перед подачей производственных сточных вод в систе-

му оборотного водоснабжения, а также в качестве предварительной очистки пе-

ред биологической или физико-химической очисткой. Ее применяют для извле-

чения различных компонентов, растворенных в сточных водах, а также для ди-

зенфекции и обесцвечивания.

Биологическая (биотехнологическая) очистка применяется для очистки

сточных вод от растворенных органических веществ. Она основана на способно-

сти микроорганизмов использовать для питания содержащиеся в сточных водах

органические вещества (углеводы, спирты, белки и т.п.). Используется для очист-

ки бытовых и производственных сточных вод. Очистка осуществляется на полях

фильтрации, полях орошения, в биологических прудах, а также в специальных

установках – биологических фильтрах, аэротенках и окситенках.

4. Механическая очистка сточных вод

Механическая очистка применяется для выделения из сточной воды нерас-

творенных минеральных и органических примесей. Она предназначена для под-

готовки производственных сточных вод к биологическому, физико-химическому

или другому методу более глубокой очистки воды.

Механическая очистка состоит из процеживания через решетки, пескоулав-

ливания, отстаивания и фильтрования. Типы и размеры этих сооружений зависят

в основном от состава, свойств и расхода производственных сточных вод, а также

от методов их дальнейшей обработки.

Обычно, механическая очистка является предварительным этапом очистки

производственных сточных вод. Она обеспечивает выделение из сточных вод до

90 – 95 % взвешенных веществ и снижение органических загрязнений (по показа-

телю БПК

полн

) до 20 – 25 %.

Рис. 1.1. Классификация методов очистки и обработки сточных вод

очистка от

тонкодисперсных и кол-

лоидных примесей

очистка от

грубодисперсных

примесей

очистка от

тонкодисперсных и

коллоидных примесей

процеживание

отстаивание

фильтрование

центрифугирование

химические методы

физико-химические методы механические методы

обратный осмос

и ультрализация

очистка от

органических

веществ

очистка от

минеральных

примесей

ионообменная

адсорбция

экстракция

флотация

очистка от

минеральных

примесей

очистка от

тонкодисперсных

примесей и эмуль-

сионных веществ

нейтрализация

коагуляция

флокуляция

аноидное

окисление и

катодное

восстановление

электродиализ

электрохимические методы

биологические методы

очистка от растворенных

органических и

неорганических веществ

аэробные методы

анаэробные методы

электрофлотация

очистка от

тонкодисперсных

и растворенных

ществ

очистка от

взвешенных и

коллоидных

веществ

электрокоагуляция

термокаталитическое

обезвреживание

жидких отходов

термические методы

очистка от минераль-

ных примесей

концентрирование

вымораживание

кристаллизация

жидкофазное

окисление

парофазное

каталитическое

окисление

ОЧИСТКА И ОБРАБОТКА СТОЧНЫХ ВОД

Высокий эффект очистки сточных вод достигается различными способами

интенсификации гравитационного отстаивания – преаэрацией, биокоагуляцией,

осветлением во взвешенном слое (отстойники-осветлители) или в тонком слое

(тонкослойные отстойники), а также с помощью гидроциклонов.

Процесс более полного осветления сточных вод осуществляется фильтрова-

нием – пропуском воды через слой различного зернистого материала (кварцевого

песка, гранитного щебня, дробленого антрацита и керамзита, горелых пород, чугу-

нолитейного шлака и других материалов) или через сетчатые барабанные фильтры

и микрофильтры, через высокопроизводительные напорные фильтры и фильтры с

плавающей загрузкой – пенополиуретановой или пенополистирольной.

Преимущество этих процессов заключается в возможности их применения

без добавления химических реагентов.

Выбор метода очистки сточных вод зависит от размера взвешенных частиц. Раз-

меры взвешенных частиц, содержащихся в производственных сточных водах изме-

няются в широких пределах (от 5·10

–9

до 5·10

–4

м), для частиц размером до 10 мкм

конечная скорость осаждения составляет менее 10

–2

см/с. Если частицы достаточно

велики (диаметром более 30 – 50 мкм), то они могут легко выделяться отстаиванием

или процеживанием. Коллоидальные частицы (диаметром 0,1–1 мкм) могут быть

удалены фильтрованием, однако из-за ограниченной емкости фильтрующего слоя бо-

лее подходящим методом при концентрациях взвешенных частиц более 50 мг/л явля-

ется коагуляция с последующим осаждением или осветлением во взвешенном слое.

Повышение технологической эффективности сооружений механической очист-

ки очень важно при создании замкнутых систем водного хозяйства промышленных

предприятий. Этому требованию удовлетворяют различные конструкции многопо-

лочных отстойников, сетчатых фильтров, фильтров с новыми видами зернистых и

синтетических загрузок, гидроциклонов (напорных, безнапорных, многоярусных).

Очистные сооружения рассчитываются по максимальному расходу сточных

вод или же по какому-либо среднему их расходу. Иногда следует проверять их

объемы по минимальному расходу. На рис. 1.2. показана схема механической

очистки производственных сточных вод. В состав очистных сооружений входят:

решетки для задержания крупных загрязнений органического и минерального про-

исхождения, песколовки для выделения тяжелых минеральных примесей (глав-

ным образом песка), усреднители расхода сточных вод и концентрации их загряз-

нений, отстойники или отстойники-осветлители для выделения нерастворимых

примесей, фильтры для более полного осветления воды и сооружения для обра-

ботки осадка.

С целью обеспечения надежной работы сооружений механической очистки

производственных сточных вод обычно применяют не менее двух рабочих еди-

ниц основного технологического назначения – решеток, песколовок, усредните-

лей, отстойников или фильтров.

В ряде случаев механическая очистка является единственным и достаточным

способом для извлечения из производственных сточных вод механических за-

грязнений и подготовки их к повторному использованию в системах оборотного

водоснабжения. При необходимости предусматривается охлаждение механически

очищенной сточной воды в градирнях.