Средства защиты гидросферы
Решетникова Е.А.
Методы и технологическое оборудование для очистки сточных вод можно выбрать, зная допустимые концентрации примесей в очищенных сточных водах. При этом необходимо иметь в виду, что требуемые эффективность и надежность любого очистного устройства обеспечиваются в определенном диапазоне значений концентрации примесей и расходов сточных вод. С этой целью применяют усреднение концентрации примесей или расхода сточных вод, а в отдельных случаях и по обоим показателям одновременно. Для этого на входе в очистные сооружения устанавливают усреднители, выбор и расчет которых зависит от параметров изменяющихся по времени сбросов сточных вод. Выбор объема усреднителя концентрации примесей сточной воды зависит от коэффициента подавления
kn=(Cmax-Ccp)(Cд-Сср),
где Сmах - максимальная концентрация примесей в сточной воде, кг/м3; Сcр- средняя концентрация примесей в сточной воде на входе в очистные сооружения, кг/м3; Сд -допустимая концентрация примесей в сточной воде, при которой обеспечивается нормальная эксплуатация очистных сооружений, кг/м3.
При kn?5 объем усреднителя (м3)
V=kпДQф3,
где ДQ -превышение расхода сточной воды при переменном сбросе, м3/с; фз -продолжительность переменного сброса, с;
при kn < 5
V =ДQф3/ln[kп/(kп-1)].
После расчета объема усреднителя выбирают необходимое число секций, исходя из условия
ДQh/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 существующие методы классифицировать на: механические, физико-химические и биологические.
Механические средства защиты гидросферы.
Для очистки сточных вод от взвешенных веществ используют процеживание, отстаивание, обработку в поле действия центробежных сил и фильтрование.
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; рчи рв -плотности частицы и воды, кг/м3; m -динамическая вязкость воды, Па/с.
Песколовки используют для очистки сточных вод от частиц металла и песка размером более 0,25 мм. В зависимости от направления движениясточной воды применяют горизонтальные песколовки с прямолинейным икруговым движением воды, вертикальные и аэрируемые. На рис. 1 показанасхема горизонтальной песколовки, ее длина (м), L=бhW/Wo, где W-скорость движения воды в песколовке, W=0,15. ..0,3 м/с; б - коэффициент, учитывающий влияние возможной турбулентности и неравномерности скоростей движения сточной воды в песколовке б=1,3...1,7.
Рис. 1. Схема горизонтальной песколовки 1 - входной патрубок; 2 - корпус песколовки; 3-шламосборник; 4-выходной патрубок
Рабочую глубину песколовки h выбирают из условия
h/W?фпр,
где фпр- время пребывания воды в песколовке, фпр= 30...100 с (рис.1). Ширина песколовки (м).
Отстойники используют для очистки сточных вод от механических частиц размером более 0,1 мм, а также от частиц нефтепродуктов. В зависимости от направления движения потока сточной воды применяют горизонтальные, радиальные или комбинированные отстойники. При расчете отстойников определяют, как правило, его длину и высоту. Существуют различные методики расчета длины отстойников (рис. 2).
Для расчета общей длины отстойника l=l1+l2+l3 задают расход сточнойводы 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 твердыхпримесей со скоростью осаждения более 0,02 м/с. Такие гидроциклоны имеют большую производительность и малые потери напора, не превышающие0,5 м. Эффективность очистки сточных вод от твердых частиц в гидроциклонах зависит от состава примесей (материала, размера, формы частиц и др.), атакже от конструктивных и геометрических характеристик гидроциклона.
Рис. 2. Расчетная схема горизонтального отстойника
Открытый гидроциклон (рис. 3) состоит из входного патрубка 1, кольцевого водослива 2, патрубка 3 для отвода очищенной воды и шламоотводящей трубы 4. Существуют открытые гидроциклоны с нижним отводомочищенной воды, а также гидроциклоны с внутренней цилиндрической перегородкой.
Рис. 3. Схема открытого гидроциклона
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; б = 60°.
Конструктивная схема напорного гидроциклона аналогична схеме циклона для очистки газов от твердых частиц. Производительность напорного гидроциклона определяется по формуле: , где dпит, dсл - диаметры патрубков для подачи сточной и слива очищенной воды, мм; ДР - потери давления в гидроциклоне, Мпа; g - ускорение свободного падения, м/с2.
На рис. 4. представлена схема напорного гидроциклона, обеспечивающего очистку сточной воды и от твердых частиц, и от маслопродуктов.
Рис. 4. Схема напорного гидроциклона
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.
Такие гидроциклоны используют для очистки сточных вод прокатных цехов с концентрацией твердых частиц и маслопродуктов соответственно0,13...0,16 и 0,01...0,015 кг/м3 и эффективностью их очистки около 0,7 и 0,5.
При расходе очищаемой сточной воды 5 м3/ч перепад давлений в гидроциклоне составляет 0,1 МПа.
Фильтрование применяют для очистки сточных вод от тонкодисперсных примесей с малой их концентрацией.
Его используют как на начальной стадии очистки сточных вод, так и после некоторых методов физико-химической или биологической очистки.
Для очистки сточных вод фильтрованием применяют в основном два типа фильтров: зернистые, в которых очищаемую сточную воду пропускают через насадки несвязанных пористых материалов, и микрофильтры, фильтроэлементы которых изготовляют из связанных пористых материалов (сеток, натуральных и синтетических тканей, спеченных металлических порошков и т. п.).
Для очистки больших расходов сточных вод от мелкодисперсных твердых примесей применяют зернистые фильтры (рис. 5). 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.
Рис. 5. Схема зернистого фильтра
песколовка фильтровальный сепаратор сточный
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. 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. Схема фильтра-сепаратора
Физико-химические методы очистки
С быстрым развитием современного общества постоянно возрастают потребности в воде во всех секторах хозяйствования. В то же время непрерывное увеличение количества сточных вод наталкивает на мысль о том, что их следует рассматривать как альтернативный источник водных ресурсов.
Однако вторичное использование сточных вод создает определенную опасность для здравоохранения и вследствие этого требует разработки специфических требований к степени их очистки. Традиционные методы очистки не позволяют достичь требуемых стандартов качества, поскольку очищенная сих помощью вода по-прежнему содержит значительное количество микроорганизмов. Вследствие этого возникает необходимость в доочистке и обеззараживании воды.
Разработка новых технологий расширила возможности повторного применения сточных вод так что в настоящее время они могут использоваться во всех отраслях сельского хозяйства, для орошения спортивных площадок, в городском хозяйстве, в промышленности, для питания водоносного горизонта и т.п. В то же время стандарты, нормирующие качество воды, направляемой на вторичное использование, значительно ужесточились, а новые технологии доочистки сточных вод чрезвычайно усложнились в результате усилий, предпринимаемых для достижения высокого качества очищенной воды.
В настоящее время существует целый ряд технологий обеззараживания сточных вод, которые способны обеспечивать наивысшее качество очищенной воды по микробиологическим показателям. Однако некоторые из этих методов обработки создают дополнительные проблемы, связанные, например, с присутствием остаточных количеств используемых реагентов или с образованием побочных продуктов обеззараживания. Эти недостатки ограничивают область применения химических методов обеззараживания, что привело к возрастанию использования физических процессов, главным образом, ультрафиолетового облучения и мембранной технологии.
К настоящему времени УФ облучение стало широко используемым методом обеззараживания сточных вод - во всем мире успешно эксплуатируются тысячи установок УФ облучения различной производительности.
Этот успех оказался возможным благодаря таким факторам, как эффективность метода в отношении уничтожения вирусов и бактерий, минимальное содержание побочных продуктов обеззараживания и невысокие эксплуатационные затраты. Основной недостаток данной технологии заключается в устойчивости к УФ облучению некоторых групп микроорганизмов (например, яйца нематод, цисты простейших, некоторые вирусы), требующих высоких доз облучения для эффективного обеззараживания. Другим ограничивающим фактором применения этой технологии является зависимость эффективности УФ облучения от качества воды, поступающей в обработку. В частности, эксплуатационные характеристики системы изменяющейся в зависимости от таких характеристик воды, как мутность, содержание взвешенных веществ и коэффициент пропускания ультрафиолетового излучения. По причине перед УФ облучением часто производится предварительная обработка воды, направленная на снижение содержания взвешенных веществ. Наиболее подходящей для этой цели является физико-химическая обработка исходной (коагуляция - осветление - фильтрование). Эта технология широко используется и на практике доказала свою высокую эффективность в отношении удаленных взвешенных веществ и получения воды, легко поддающейся обеззараживанию ультрафиолетом.