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

Подождите немного. Документ загружается.

131

7. Биологическая очистка сточных вод

Метод основан на способности гетеротрофных микроорганизмов использо-

вать в качестве источников питания разнообразные органические соединения,

подвергая последние биохимическим превращениям. Использование свойств

адаптации бактерий активного ила позволяет успешно решать вопросы биологи-

ческой очистки стоков воды химических производств, содержащих сложные ор-

ганические соединения неприродного происхождения.

Разрушение органических соединений при помощи микроорганизмов называ-

ют биохимическим окислением. Окисление органических веществ происходит

избирательно, поэтому некоторые соединения разрушаются легко, другие – мед-

ленно или совсем не окисляются.

Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки сточных

вод. Аэробный метод основан на использовании аэробных групп микроорганиз-

мов, для жизнедеятельности которых требуются постоянный приток кислорода и

температура 20-40

С. При изменении кислородного и температурного режимов

меняются состав и число микроорганизмов, а, следовательно, и эффективность

очистки стоков. В случае анаэробной очистки микроорганизмы культивируются в

активном иле или биопленке, биохимические процессы протекают без доступа

кислорода. Этот метод используют главным образом для обезвреживания осадков.

Аэробные процессы биохимической очистки могут протекать в природных

условиях и в искусственных сооружениях. В естественных условиях очистка проис-

ходит на полях орошения, полях фильтрации и биологических прудах. Искусствен-

ными сооружениями являются аэротенки и биофильтры разной конструкции. Тип

сооружений выбирают с учетом местоположения предприятия, климатических

условий, источника водоснабжения, объема промышленных и бытовых сточных

вод, состава и концентрации загрязнений. В искусственных сооружениях процессы

очистки протекают с большей скоростью, чем в естественных условиях.

Поля орошения – это специально подготовленные земельные участки, ис-

пользуемые одновременно для очищения сточных вод и агрокультурных целей.

Очистка сточных вод в этих условиях идет под действием почвенной микрофло-

ры, солнца, воздуха и под влиянием жизнедеятельности растений.

В процессе биологической очистки сточные воды проходят через фильтрую-

щий слой почвы, в котором задерживаются взвешенные и коллоидные частицы,

образуя в порах грунта микробиальную пленку. Затем образовавшаяся пленка ад-

сорбирует коллоидные частицы и растворенные в сточных водах вещества. Про-

никающий из воздуха в поры кислород окисляет органические вещества, превра-

щая их в минеральные соединения. В глубокие слои почвы проникание кислоро-

да затруднено, поэтому наиболее интенсивное окисление происходит в верхних

слоях почвы (0,2–0,4 м). При недостатке кислорода в прудах начинают преобла-

дать анаэробные процессы.

Биологические пруды представляют собой каскад прудов, состоящий из 3–5

ступеней, через которые с небольшой скоростью протекает осветленная или био-

логически очищенная сточная вода. Пруды предназначены для биологической

очистки и для доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными соору-

132

жениями. Различают пруды с естественной или искусственной аэрацией. Пруды с

естественной аэрацией имеют небольшую глубину (0,5 – 1 м), хорошо прогрева-

ются солнцем и заселены водными организмами.

Для нормальной работы необходимо соблюдать оптимальные значения рН и

температуры сточных вод. Температура должна быть не менее 6 °С. В зимнее

время пруды не работают.

При расчете прудов определяют их размеры, обеспечивающие необходимую

продолжительность пребывания в них сточных вод. В основе расчета определе-

ние скорости окисления, которую оценивают по БПК и принимают для вещества,

разлагающегося наиболее медленно.

Перед использованием воды, доочищенной в биологическом пруде, в системе

технического водоснабжения ее обрабатывают хлором.

В искусственных условиях очистку проводят в аэротенках или биофильтрах.

Аэротенками называют железобетонные аэрируемые резервуары. Процесс

очистки в аэротенке идет по мере протекания через него аэрированной смеси

сточной воды и активного ила. Аэрация необходима для насыщения воды кисло-

родом и поддержания ила во взвешенном состоянии.

Аэротенк представляет собой открытый бассейн, оборудованный устрой-

ствами для принудительной аэрации. Они бывают двух-, трех- и четырехкори-

дорные. Глубина аэротенков 2 – 5 м.

Аэротенки подразделяются по следующим основным признакам:

1) по гидродинамическому режиму – на аэротенки-вытеснители, аэротенки-

смесители и аэротенки промежуточного типа (с рассредоточенным вводом сточ-

ных вод);

2) по способу регенерации активного ила – на аэротенки с отдельной регене-

рацией и аэротенки без отдельной регенерации;

3) по нагрузке на активный ил – на высоконагружаемые (для неполной очист-

ки), обычные и низконагружаемые (с продленной аэрацией);

4) по количеству ступеней – на одно-, двух- и многоступенчатые;

5) по режиму ввода сточных вод – на проточные, полупроточные, с перемен-

ным рабочим уровнем и контактные;

6) по конструктивным признакам.

В аэротенках-вытеснителях воду и ил подают в начало сооружения, а смесь

отводят в конце его. Повышенная концентрация загрязнений в начале сооружения

обеспечивает увеличение скорости их окисления. Изменение состава воды по длине

аэротенка затрудняет адаптацию ила и снижает его активность. Такие аэротенки

применяют для окисления малоконцентрированных вод (до 300 мг/л по БПК

полн

В аэротенках-смесителях воду и ил вводят равномерно вдоль длинных сто-

рон коридора аэротенка. Полное смешение в них сточной воды с иловой смесью

обеспечивает выравнивание концентраций ила и скоростей процесса биохимиче-

ского окисления. Такие аэротенки предназначены для очистки концентрирован-

ных производственных сточных вод (БПКполн до 1000 мг/л) при разных колеба-

ниях их распада, состава и количества загрязнений.

В аэротенки с рассредоточенной подачей сточной воды ее подают в не-

скольких точках по длине аэротенка, а отводят из торцевой части.

133

Возвратный ил полностью подают в начало аэротенка. Эти аппараты занима-

ют промежуточное положение между вытеснительными и смесительными.

В аэротенке-осветителе сточная вода поступает в зону аэрации, где смеши-

вается с активным илом и аэрируется. Затем смесь через окна попадает в зону

осветления и зону дегазации. В зоне осветления возникает взвешенный слой ак-

тивного ила, через который фильтруется иловая смесь. Очищенная вода через

лотки удаляется из аэротенка.

Двухкамерные аэротенки-отстойники (рис. 1.60) являются разновидностью

аэротенков-осветителей. В них зона аэрации разделена вертикальной перфориро-

ванной перегородкой на две камеры. В первой камере происходит насыщение

иловой смеси кислородом и сорбция загрязнений активным илом, во второй –

окисление сорбированных загрязнений и стабилизация активного ила. Избыточ-

ный ил удаляется из зоны осветления.

Аэрация. Растворимость кислорода в воде мала (зависит от температуры и

давления), поэтому для насыщения ее кислородом подают большое количество

воздуха.

Растворимость кислорода в чистой воде при давлении 0,1 МПа представлена

ниже:

Температура, °С 5 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

Растворимость,

мг/л

12,8

11,3

10,8

10,3

9,8 9,4 9,0 8,7 8,3 8,0 7,7

При аэрации должна быть обеспечена большая поверхность контакта между

воздухом, сточной водой и илом, что является необходимым условием эффектив-

ной очистки. На практике используют пневматический, механический и пневмо-

механический способы аэрации сточной воды в аэротенках. Выбор способа аэра-

ции зависит от типа аэротенка и от необходимой интенсивности аэрации.

Аэраторы могут быть с вертикальной и горизонтальной осью вращения.

Аэраторы с вертикальной осью вращения делятся на поверхностные и заглублен-

ные в жидкость; по виду механизма аэрации они делятся на турбинные, импел-

лерные и струйные. Аэраторы с горизонтальной осью вращения могут быть по-

верхностные (роторные) и мешалочные.

Механизм аэрирования у аэраторов различной конструкции разный: 1) подсос

воздуха через поверхность жидкости в результате понижения давления в ней за

Сточная

вода

Очищенная

вода

Активный

ил

1 2

3 4 5 6

Рис.1.60. Двухкамерный аэротенк-отстойник:

1 – импеллерный аэратор; 2 – зона предварительного обогащения;

3 – перегородка; 4 – роторный аэратор; 5 – зона ферментации: 6 – зона

осветления

134

вращающимися лопатками; 2) насыщение кислородом струй и капель жидкости,

соприкасающихся с воздухом; 3) смешение воды и воздуха в межлопастном про-

странстве аэраторов в условиях резкого перепада давлений перед и за вращаю-

щимися лопатками; 4) подсос воздуха струями жидкости, падающими в основ-

ную массу жидкости; 5) растворение кислорода через обменивающиеся слои по-

верхности жидкости при ее турбулентном перемешивании.

Биофильтры это сооружения, в корпусе которых размещается кусковая

насадка (загрузка) и предусмотрены распределительные устройства для сточной

воды и воздуха. В биофильтрах сточная вода фильтруется через слой загрузки,

покрытый пленкой из микроорганизмов. Микроорганизмы биопленки окисляют

органические вещества, используя их как источники питания и энергии. Таким

образом, из сточной воды удаляются органические вещества, а масса активной

биопленки увеличивается. Отработанная (омертвевшая) биопленка смывается

протекающей сточной водой и выносится из биофильтра.

В качестве загрузки используют различные материалы: щебень, гравий, шлак,

керамзит, керамические и пластмассовые кольца, кубы, шары, цилиндры, шести-

гранные блоки; металлические и пластмассовые сетки, скрученные в рулоны.

На эффективность очистки сточных вод в биофильтрах влияют биохимиче-

ские, массообменные, гидравлические и конструктивные параметры: БПК очища-

емой сточной воды, природа органических загрязнений, скорость окисления, ин-

тенсивность дыхания микроорганизмов, масса веществ, абсорбируемых пленкой,

толщина биопленки, состав обитающих в ней микроорганизмов, интенсивность

аэрации, площадь и высоту биофильтра, характеристика загрузки, физические

свойства сточной воды, температура процесса и гидравлическая нагрузка, интен-

сивность рециркуляции, равномерность распределения сточной воды по сечению

загрузки, степень смачиваемости биопленки.

8. Другие методы

Наряду с рассмотренными и распространенными методами очистки произ-

водственных сточных вод, реже находят применение также и другие физико-

химические методы.

Эвапорация. Эвапорационные методы очистки производственных сточных

вод подразделяются на пароциркуляционный и азеотропную ректификацию.

Пароциркуляционный метод применяется для удаления из сточных вод ле-

тучих веществ (фенолов, крезолов, ксиленолов, нафтолов и др.). Он основан на от-

гонке загрязнений с циркулирующим водяным паром и на последующей его от-

мывке от загрязнений раствором щëлочи. При нейтрализации щëлочного раствора

загрязнения выделяются из него и могут быть отделены от водного слоя отстаива-

нием. Отгонка осуществляется в периодически действующих аппаратах или в

непрерывно действующих дистцилляционных колоннах. При движении через ко-

лонну с насадкой навстречу острому пару сточная вода нагревается до 100 °С.

Находящиеся в ней летучие примеси частично переходят в паровую фазу.

Азеотропная ректификация основана на свойстве многих химических соеди-

нений образовывать азеотропные нераздельнокипящие смеси с водой. Сточная во-

135

да из емкости направляется в колонну, обогреваемую паром, где отгоняется часть

воды в виде азеотропной смеси с загрязняющим компонентом. Из нижней части

колонны выходит очищенная вода. Пары, выходящие через верх колонны, посту-

пают в конденсатор. Конденсат после дополнительного охлаждения направляется

в сепаратор, где разделяется на два слоя – водный и органический. Водный слой из

сепаратора сбрасывается в емкость исходной сточной воды, а загрязняющий ком-

понент поступает на дальнейшую переработку или на повторное использование.

Эвапорационные методы применяются для очистки сточных вод коксохими-

ческих и химических заводов, заводов синтетического каучука и др.

Выпаривание. Выпаривание сточных вод применяется для увеличения кон-

центрации солей, содержащихся в сточных водах, и ускорения их после дующей

кристаллизации, а также для обезвреживания небольших количеств высококон-

центрированных сточных вод (например, радиоактивных).

Испарение. В отличие от выпаривания, испарение осуществляется с откры-

той поверхности жидкости и происходит практически при любой температуре.

Площадь испарительных площадок рассчитывается в зависимости от климатиче-

ских и грунтовых условий.

Кристаллизация. Этот метод основывается на различной растворимости со-

держащихся в сточной воде веществ, зависящей не только от их вида, но и от

температуры растворителя. При изменении температуры сточных вод получают-

ся пересыщенные растворы находящихся в них веществ, а затем их кристаллы.

На этом принципе основан метод выделения из сточной воды кристаллов загряз-

няющего ее вещества, т.е. на естественном или ускоренном испарении жидкости.

Кристаллизация применяется при обработке небольших количеств концентриро-

ванных сточных вод.

Магнитная обработка. Находит применение при очистке сточных вод ме-

таллургической промышленности от ферромагнитных механических примесей, а

также в системах оборотного водоснабжения для предупреждения накипеобразо-

вания в теплообменных аппаратах.

Термоокислительные методы. В термоокислительных методах обезврежи-

вания органические примеси в сточных водах окисляются кислородом воздуха

при повышенной температуре до безвредных продуктов (H

О, СО

). Выбор мето-

да обезвреживания зависит от объема сточных вод, их состава и теплотворной

способности, экономичности процесса и требований к очищенным стокам.

Наиболее распространенные из этих методов:

- парофазное окисление («огневой метод»);

- жидкофазное обезвреживание («мокрое сжигание»);

- каталитическое окисление.

Сущность «огневого» метода заключается в том, что сточная вода вводимая в

распыленном состоянии в высокотемпературные (900-1000 °С) продукты горения

топлива, испаряется, органические примеси в сточной воде сгорают, образуя про-

дукты полного сгорания. Минеральные примеси образ уют при этом твердые или

расплавленные частицы, которые выводятся из рабочей камеры печи или уносят-

ся с дымовыми газами.

136

Огневой метод обезвреживания сточных вод является универсальным и ха-

рактеризуется высокой степенью очистки сточных вод (98 – 99,9 %). В этом ме-

тоде сточная вода вводится в распыленном состоянии в высокотемпературные

продукты сгорания топлива (900 – 1000 °С). Вода испаряется, а органические

примеси сгорают, образуя продукты полного сгорания (СО

, Н

О). Минеральные

примеси при этом образуют твердые или расплавленные частицы, которые уда-

ляются из камеры печи.

Недостатком метода является высокий расход топлива на испарение воды и

перегрев пара до 900-1000 °С. В связи с этим огневой метод рекомендуется ис-

пользовать: во-первых, при большом количестве сточных вод, содержащих вы-

сокотоксичные органические примеси, обезвреживание которых другими ме-

тодами невозможно или экономически невыгодно; во-вторых, при наличии го-

рючих вторичных энергоресурсов, которые могут быть использованы вместо

топлива.

Сущность термоокислительного жидкофазного обезвреживания (рис. 1.61)

состоит в окислении кислородом воздуха органических примесей сточной во-

ды, находящихся в жидкой фазе при повышенных температуре (до 350 ºС) и

давлении. Недостатком циклонных печей является большой унос солевой

массы потоком газ.

Продукты сгорания из реактора поступают в камеру охлаждения парогенера-

тора. Наличие эжектора позволяет исключить дымосос. Циркуляционный насос 5

используется для подачи раствора минеральных веществ из емкости 6 в реактор 2

Рис. 1.61. Схема установки огневого обезвреживания сточных вод:

1 – нагнетательный насос; 2 – циклонный реактор; 3 – парогенератор (котел-

утилизатор); 4 – струйный аппарат; 5 – циркуляционный насос; 6 – емкость;

7 – каплеотделитель; 8 – дымовая труба

Топливо

Воздух

В атмосферу

Расплав минераль-

ных веществ

Сточная

вода

Газ

Вода техно-

логическая

Пар

Газ

Жидкость

Вода питательная

Раствор ми-

неральных

веществ

2 3

6 5

137

и в струйный аппарат 4. Пройдя каплеотделитель 7, очищенные газы поступают в

дымовую трубу 8 и из нее в атмосферу. На некоторых установках используют для

утилизации тепла водогрейные котлы, водоаммиачные абсорбционные холодиль-

ные машины и циклоны для сухой очистки газа от каплеуноса.

В процессе обезвреживания сточных вод, содержащих органические соедине-

ния серы, хлора, нитросоединения, образуются SO

, SО

, P

, НСl, Сl

, (NO)

Вещества эти могут взаимодействовать с образованием новых, более токсичных

соединений, что необходимо иметь в виду при удалении отходящих газов в

окружающую среду.

Метод жидкофазного окисления основан на окислении органических веществ,

растворенных в сточной воде, кислородом воздуха при температуре 100 – 350 ºС и

давлении 2 – 28 МПа. Повышение давления ускоряет процесс и глубину окисления

вследствие увеличения растворимости в воде кислорода. Жидкофазное окисление

осуществляется как на катализаторах, так и без них. В качестве катализаторов ис-

пользуются металлы (Pt, Pd, Cu, Zn, Мn), нанесенные на оксид алюминия или ак-

тивированный уголь.

Принципиальная схема установки жидкофазного окисления органических со-

единений, содержащихся в сточной воде, показана на рис. 1.62.

Загрязненная вода из сборника 7 насосом 2 подается в систему обезврежива-

ния горючих соединений. Вода нагревается в теплообменнике 3 и в печи 4, в ко-

торой сжигается природный газ. После отделения воды в сепараторе 6 газы вы-

брасываются, а очищенная вода охлаждается в теплообменнике 3, нагревая за-

грязненный поток.

Рис. 2.37. Схема установки жидкофазного окисления: 1 – сборник; 2 – насос;

3 – теплообменник; 4 – печь; 5 – реактор;6 – сепаратор

Воздух

Отходящие газы

Сточная

вода

Продукты окисления

Дымовые

газы

Топливный

газ

138

В методе парофазного каталитического окисления используется гетерогенное

каталитическое окисление кислородом воздуха летучих органических соедине-

ний, находящихся в сточных водах. Процесс окисления интенсивно протекает в

присутствии медно-хромовых, медно-цинковых, медно-марганцевых катализато-

ров. При высокой температуре (350 – 400 °С) большинство органических веществ

подвергается полному окислению (98,5 – 99,9 %).

Применение парофазного окисления наиболее целесообразно в случае вывода

технологического потока в виде пара, направляемого в конденсаторы (из выпар-

ных аппаратов, ректификационных колонн, сушильных камер и т.д.). В данном

процессе могут быть использованы конструкции реакторов, характерные для ге-

терогенно-каталитических процессов.

Каталитическое окисление применяется при очистке сточных вод, загрязнен-

ных летучими веществами органического происхождения. По этому методу сточ-

ная вода подается в выпарной аппарат, где пары воды и органических веществ, а

также газы и воздух подогреваются до 300 ºС, а затем смесь подается в контакт-

ный аппарат, загруженный катализатором. Обезвреженная парогазовая смесь

охлаждается и образующийся конденсат используется в производстве.

Термоокислительные методы очистки применяются при небольших расходах

сточных вод с высокой концентрацией загрязнений.

139

Глава 2. ПЕРЕРАБОТКА И ВТОРИЧНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА И ПОТРЕБЛЕНИЯ

Все образующиеся в результате жизнедеятельности человека отходы можно

разделить на отходы производства и потребления (рис. 2.1).

Промышленные отходы или отходы производства – это остатки сырья, ма-

териалов, полуфабрикатов, образовавшиеся при производстве продукции или вы-

полнении работ и утратившие полностью или частично исходные потребительские

свойства, а также образующиеся в процессе производства попутные вещества, не

находящие применения в данном производстве: вскрышные породы, образующиеся

при добыче полезных ископаемых, отходы сельского хозяйства, твердые вещества,

улавливаемые при очистке отходящих технологических газов и сточных вод, и т. д.

К отходам потребления относятся остатки веществ, материалов, предметов,

изделий, товаров (продукции или изделий), частично или полностью утративших

свои первоначальные потребительские свойства для использования по прямому или

косвенному назначению в результате физического или морального износа в процес-

сах общественного или личного потребления, использования или эксплуатации.

Особую санитарно-биологическую опасность представляют твердые быто-

вые отходы (ТБО), образующиеся в результате жизнедеятельности людей.

Загрязнение окружающей среды отходами производства и потребления яв-

ляется одной из острейших проблем человечества. Накопление огромных объе-

мов отходов в отвалах, хвостохранилищах, шламохранилищах и на других объек-

тах размещения отходов нарушает природные ландшафты, загрязняет воздушный

и водный бассейны, приводит к изъятию из хозяйственного оборота земель,

наносит большой ущерб флоре и фауне, оказывает существенное негативное вли-

яние на качество жизни человека.

В России по различным оценкам, ежегодно образуется от 2,7 до 3,4 млрд т

отходов производства и потребления, в том числе: промышленные отходы –

2,6 млрд т, жидкие отходы сельскохозяйственного производства – 700 млн т,

твердые бытовые отходы – 35 – 40 млн т.

Общий объем неутилизированных отходов оценивается в 80 млрд т. При

этом количество вторично используемых отходов составляет около 26 % (в том

числе промышленные отходы перерабатываются на 35 %, твердые бытовые отхо-

ды – на 3 – 4 %) остальные отходы практически не перерабатываются.

Твердые отходы

Отходы производства Отходы потребления

Промышленные

Бытовые

Рис. 2.1. Классификация основных видов твердых отходов

140

Особую проблему представляют отходы промышленного производства.

В 2002 г. в России их образовалось 2 млрд т, наибольший объем составляют от-

ходы топливной промышленности (51,92 %), черной (19,58 %) и цветной метал-

лургии (12,33 %) – ежегодно в России образуется более 35 млн т металлолома.

Жизнедеятельность человека и общества в целом связана с образованием

твердых бытовых отходов. В увеличивающемся объеме твердых бытовых отхо-

дов большую долю составляют отходы упаковки и упаковочных материалов – в

среднем по России на человека приходится 50 кг упаковки в год. Остро стоит

проблема медицинских отходов, которых в России образуется 0,6 – 1 млн т в год,

что составляет около 2 % от общего объема твердых бытовых отходов.

Сложная ситуация с утилизацией ТБО в первую очередь объясняется еже-

годного возрастающими объемами образования ТБО, что приводят к острой не-

хватке мест, отводимых под свалки, которые, в свою очередь, являются экологи-

чески опасными объектами. Однако бытовой мусор является ценным материалом.

В среднем из 1 т отходов можно получить около 170 кг биогаза, 410 кг компоста,

50 кг первого отсева грубых элементов и металлолома, 250 кг второго отсева.

Около 70 % всех отсевов можно использовать для выработки тепла путем сжига-

ния, пиролиза, газификации, получения специального топлива. Поэтому необхо-

димо применять интенсивные методы утилизации ТБО: переработку с извлечени-

ем ценных компонентов (пластмассы, черных и цветных металлов, стекла, бумаги

и т. д.) и получения топливных гранул; сжигание с использованием различных

типов решеток; пиролиз; компостирование.

На территории России работают семь мусоросжигательных заводов и два

мусороперерабатывающих предприятия. В технологических циклах этих заводов

не предусмотрена предварительная сортировка мусора. Мусоросжигание без

предварительной сортировки приводит к выбросам в атмосферный воздух вред-

ных веществ, таких как диоксин, хлористый и фтористый водород, диоксид серы,

оксид азота и углерода, токсичные углеводороды и тяжелые металлы.

В ряде городов страны построены заводы по биотермической обработке ТБО

с использованием отечественного оборудования. Компостирование мусора про-

водится в биотермических барабанах производительностью 20...30 тыс. т в год.

При сортировке мусора выделяют цветные и черные металлы, стекло, текстиль,

макулатуру и другие инертные примеси. Получаемый компост используют сель-

ские и городские хозяйства в качестве биотоплива и органического удобрения.