Их назначение и краткая характеристика

Для очистки производственных сточных вод применяют следующие основные методы (рис. 1.1):

- механический;

- биологический;

- химический;

- физико-химический;

- термический.

Рис. 1.1. Методы очистки сточных вод

Механическая очистка применяется для выделения из сточной воды нерастворенных минеральных и органических взвешенных частиц. Назначение механической очистки заключается в подготовке производственных сточных вод при необходимости к биологическому, физико-химическому или другому методу более глубокой очистки. Как правило, механическая очистка является предварительным, реже – окончательным этапом для очистки производственных сточных вод. Она обеспечивает выделение взвешенных веществ из этих вод до 90-95 % и снижение органических загрязнений (по показателю БПК_полн) до 20-25 %.

Высокий эффект очистки сточных вод достигается применением преаэрации, биокоагуляции, осветлением во взвешенном слое (отстойники-осветлители) или в тонком слое (тонкослойные отстойники), а также с помощью гидроциклонов.

Методы механической очистки выбираются в зависимости от размера, физико-химических свойств и концентрации взвешенных частиц, расхода сточных вод и необходимой степени очистки. Для оценки работы механической очистки основными показателями являются БПК, ХПК, перманганатная окисляемость, содержание биогенных элементов, реакция среды, температура.

При совместной биологической очистке производственных и бытовых сточных вод механическая очистка может быть как совместной, так и раздельной. Раздельную механическую очистку следует применять для взрывоопасных производственных сточных вод. При необходимости химической или физико-хими-ческой очистки производственных сточных вод, а также при раздельной обработке осадков производственных и бытовых сточных вод также применяется раздельная механическая очистка.

Городские стоки после механической очистки подвергаются биологической очистке.

Известно, что для одних и тех же сточных вод ХПК всегда больше БПК. При этом если отношение БПК/ХПК > 0,5, сточные воды следует направлять на биологическую очистку. В противном случае применяют физико-химическую обработку. Биологический метод применяют для очистки хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических (сероводорода, сульфидов, аммиака, нитратов и др.) веществ. Для нормального хода процесса биологической очистки необходимо присутствие в воде биогенных элементов азота и фосфора. По СНиП 2.04.03-85 содержание азота и фосфора должно удовлетворять соотношению БПК:N:P = 100:5:1. При этом содержание таких токсичных веществ, как ртуть, свинец, кадмий, цианиды, ПАВ не должны превышать ПДК. Для легкоокисляемых органических веществ биологический метод очистки в сочетании с другими методами предварительной очистки и доочистки является универсальным и крупномасштабным.

Для удаления трудноокисляемых биологическим путем органических веществ, а также неорганических примесей применяют химические и физико-химические методы.

Химические методы применяют для удаления растворенных примесей. К химическим методам очистки производственных сточных вод относят нейтрализацию, окисление, восстановление. Применение химической очистки в ряде случаев целесообразно (в качестве предварительной) перед биологической или физико-химической очисткой для выделения загрязняющих веществ в виде малорастворимых и нерастворимых соединений.

При локальной очистке производственных сточных вод в большинстве случаев предпочтение отдается химическим методам.

К физико-химическим методам очистки сточных вод относят коагуляцию, флотацию, сорбцию и десорбцию, отгонку с водяным паром, ионный обмен, экстракцию, ультрафильтрацию и др. Эти методы используют для удаления из сточных вод тонкодисперсных взвешенных частиц (твердых и жидких); растворенных газов, минеральных и органических веществ. Они применяются как самостоятельно, так и в сочетании с механическими, химическими, биологическими методами. Доля их среди других методов очистки невелика, однако она возрастает.

Использование физико-химических методов для очистки сточных вод по сравнению с биологическими имеет ряд преимуществ:

1) возможность удаления из сточных вод токсичных, биохимически неокисляемых органических загрязнений;

2) достижение более глубокой и стабильной степени очистки;

3) меньшие размеры сооружений;

4) меньшая чувствительность к изменению нагрузок;

5) возможность полной автоматизации;

6) более глубокая изученность кинетики некоторых процессов;

7) метод не связан с контролем за деятельностью живых организмов;

8) возможность рекуперации различных веществ.

Выбор того или иного физико-химического метода производят с учетом количества сточных вод и концентрации загрязнений в них.

На химических предприятиях образуются сточные воды, содержащие различные минеральные соли, органические вещества. Такие воды могут быть обезврежены термическими методами:

- концентрированием сточных вод с последующим выделением растворенных веществ;

- окислением органических веществ в присутствии катализатора;

- жидкофазным окислением;

- огневым обезвреживанием.

Выбор термического метода очистки зависит от состава, концентрации и объема сточных вод, их коррозионной активности и необходимой степени очистки.

1.7. Выбор методов очистки производственных сточных вод,

их технологическая последовательность

Выбор метода очистки производственных сточных вод в зависимости от их состава и концентрации загрязняющих веществ (табл. 1.4) позволяет облегчить технологическая последовательность очистки (рис. 1.2).

Таблица 1.4

Методы очистки производственных сточных вод

Концентрация, мг/л	Методы очистки сточных вод, содержащих вещества
преимущественно органические с температурой кипения, оС	преимущественно неорганические
< 120	120 – 250	> 250
< 500	биологический, химический, сорбционный	химический, сорбционный	механический, химический, сорбционный
500 –5000	химический (озонирование и хлорирование), сорбционный, жидкофазное окисление с биохимической доочисткой, сжигание в печах	химический, сорбционный, экстракционный, жидкофазное окисление с биологической доочисткой, сжигание в печах	сорбцион-ный, жид-кофазное окисление с биологической доочисткой, сжигание в печах	механический, сорбционный, выпаривание
5000 –30000	химический, экстракционный, жидкофазное окисление с биологической доочисткой, сжигание в печах	механический, выпаривание, сброс в море, захоронение в земле, сушка в кипящем слое
> 30000	экстракционный, жидкофазное окисление с биологической доочисткой, сжигание в печах	то же

Рис. 1.2. Технологическая последовательность и взаимосвязь методов очистки производственных сточных вод

1.8. Примеры расчетов

Пример 1.1. Определить, требуется ли добавка биогенных элементов для обработки бытовой сточной воды биологическим путем.

Решение. Требуемое минимальное число биогенных элементов определяется соотношением, указанным в СНиП 2.04.03-85, т.е. БПК_полн :N:P = 100:5:1.

В бытовых водах соотношение этих значений может быть подсчитано из норм загрязнений на одного жителя. При этом следует учесть, что на сооружения биологической очистки сточная вода, как правило, поступает после прохождения сооружений механической очистки, в результате чего концентрация фосфатов понижается примерно на 20-30 %.

БПК_полн осветленной воды находят из нормы 40 г/сут на одного человека. Количество аммонийного азота составляет 8 мг/л. При подсчете концентрации фосфора учитывают эффективность отстаивания в первичных отстойниках и, кроме того, производят пересчет с концентрации в единицах P₂O₅ на Р, т.е. 3,3·0,7·0,437 = = 1,01 г/сут на 1 чел., где 0,437 – отношение двух атомных масс фосфора (62) к молекулярной массе фосфорного ангидрида (142).

Таким образом, в бытовой воде, поступающей на биохимическую очистку, будем иметь БПК_полн :N:P = 40:8:1,01 или, принимая БПК_полн за 100, получим БПК_полн :N:P = 100:20:2,5.

На каждые 100 мг/л БПК_полн в воде будет 20 мг/л аммонийного азота и 2,5 мг/л фосфора. Это больше, чем минимально допустимые количества, и поэтому добавки биогенных элементов в бытовые воды не требуется. Результат расчета годен при любой норме водопотребления.

Пример 1.2. В биохимически очищенной воде найдено 1,5 мг/л азота нитритов и 10 мг/л нитратов. Определить запас химически связанного кислорода, обеспечивающего компенсацию остаточной БПК воды, а следовательно, стабильность очищенной воды.

Решение. Подсчитаем количество кислорода, которое выделяется в результате денитрификации нитритного и нитратного азота:

4HNO₂ = 2H₂O + 2N₂ + 3O₂;

4HNO₃ = 2H₂O + 2N₂ + 5O₂.

На один атом азота нитритов приходится 1,5 атома выделяющегося кислорода, или 1,71 мг О₂ на 1 мг N, а на 1 атом азота нитратов – 2,5 атома кислорода, или 2,86 мг О₂ на 1 мг N. Следовательно, запас связанного кислорода в очищенной воде составляет: 1,7·11,5 + 2,86·10 = 31,2 мг/л.

Вода с таким содержанием нитритов и нитратов стабильна, т.к. в ней высок запас связанного кислорода.

Пример 1.3. По данным гидрометеорологической службы среднемесячный расход воды в реке при 95 %-й обеспеченности составляет в расчетном створе Q = 30 м³/с. На участке реки от места выпуска сточных вод до расчетного створа средняя скорость течения равна 0,64 м/с при глубине Н = 1,2 м. Извилистость русла на участке слабо выражена, т.е. φ = 1. Выпуск сточных вод с расходом q = 0,6 м³/c проектируется у берега, т.е. ζ = 1. Расстояние от места выпуска сточных вод до расчетного створа по фарватеру составляет 3,5 км. Определить степень смешения сточных вод в водоеме у расчетного створа.

Решение. Коэффициент турбулентной диффузии Е находим по формуле (1.4)

Е = 0,64·1,2/200 = 0,00384.

Коэффициент α, учитывающий влияние гидравлических факторов смешения сточных вод, вычисляем по формуле (1.3)

.

Далее находим коэффициент смешения a сточных вод с водой водоема по формуле (1.2), принимая:

.

Тогда

.

Кратность разбавления n в расчетном створе находим по формуле (1.5)

п = (0,23·30 + 0,6)/0,6 = 12,5.

Пример 1.4. Найти разбавление сточных вод для глубинного сосредоточенного выпуска в проточное озеро, если скорость течения υ = 0,02 м/с, средняя глубина в месте выпуска воды Н = = 30 м, расчетный расход сточных вод Q = 0,32 м³/с. Расчетный створ водопользования расположен на расстоянии l = 500 м.

Решение. Поскольку рассматривается сосредоточенный выпуск, то А = 1. Найдем диаметр отверстия выпуска, м, принимая скорость истечения υ _o = 2,5 м/c:

.

Определяя диаметр оголовка выпуска d _o = 0,4 м, установим фактическую скорость истечения υ _с = 2,53 м/с.

Теперь вычислим по формуле (1.7) параметр Р:

Р = 0,2/(0,000015·2,53 + 0,02) = 0,997.

Далее по формуле (1.8) находим

.

Наименьшее разбавление на заданном расстоянии по формуле (1.6) составит:

п = 1(0,2·500/0,4)^0,997*0,884 = 130.

Пример 1.5. В реку с расходом Q = 15 м³/с сбрасываются сточные воды с расходом q =0,3 м³/с. Концентрация взвешенных веществ в сточных водах, поступающих на очистную станцию, С = 200 мг/л. Участок водоема, в который сбрасываются очищенные сточные воды, относится ко II категории водоемов питьевого и культурно-бытового водопользования. Концентрация взвешенных веществ в реке до спуска сточных вод b = 5 г/м³. Коэффициент смешения а = 0,75. Определить необходимую степень очистки.

Решение. Для данного участка водоема допустимое увеличение содержания взвешенных веществ Р = 0,75 г/м³.

Предельно допустимое содержание взвешенных веществ в спускаемых в водоем сточных водах, мг/л, вычисляем по формуле (1.9)

m = 0,75· (0,75·15/0,3 + 1) + 5 = 34.

Необходимую степень очистки, %, определяем по формуле (1.10)

Э = (200 – 34)·100/200 = 83.

Пример 1.6. Найти необходимую степень очистки сточных вод по БПК_полн для водоема, отнесенного ко II категории водоемов питьевого и культурно-бытового водопользования при следующих условиях. Расход сточных вод q = 0,6 м³/с, расход воды в водоеме Q = 20 м³/с; средняя скорость движения воды в реке v _ср = 0,64 м/с; средняя глубина реки Н _ср = 1,2 м, выпуск сточных вод проектируется у берега, следовательно, ζ = 1. Расстояние по фарватеру от места выпуска сточных вод до расчетного створа l = 3,5 км; извилистость русла на расчетном участке выражена слабо, т.е. φ = 1. Константа скорости потребления кислорода сточной водой k _ст = 0,16; константа скорости потребления кислорода речной водой k _р = 0,1, БПК_полн речной воды до места выпуска сточных вод l _р = 1,8 мг/л.

Решение. Коэффициент турбулентности диффузии находим по формуле (1.4)

Е = 0,64·1,2/200 = 0,00384.

Коэффициент, учитывающий гидравлические факторы смешения, вычисляем по зависимости (1.3)

Коэффициент смешения – по формуле (1.2)

Продолжительность перемещения воды от места выпуска сточных вод до расчетного пункта, сут:

Допустимая БПК_полн сточных вод, мг/л, сбрасываемых в водоем, определяется по формуле (1.12):

Пример 1.7. Расход очищенных сточных вод, сбрасываемых в водоем, равен 1 м³/с, расход воды в реке – 40 м³/с, коэффициент смешения a = 0,4. Содержание растворенного кислорода в природной воде до места выпуска сточной О_р = 6,5 мг/л. Определить, какова степень очистки сточных вод, по содержанию растворенного кислорода, если БПК_полн сточной воды = 358 мг/л, а БПК_полн в расчетном створе = 2 мг/л.

Решение. Расчетный створ водоема по виду водопользования относится к источникам для питьевых и культурно-бытовых целей II категории, поэтому ПДК растворенного кислорода, мг/л, вычисляется по формуле (1.11)

.

Степень очистки может быть определена по формуле (1.13), %:

Э_БПК = (358 – 58)·100/358 = 83.

Пример 1.8. Какой должна быть температура сбрасываемых в водоем сточных вод, если максимальная летняя температура природной воды до места выпуска сточной равна 19 ^oС, а кратность разбавления стоков n = 25?

Решение. По формуле (1.14) температура сточной воды, сбрасываемой в водоем, ^oС, должна быть Т _ст £ 25·3 + 19 £ 94.

Вопросы для самоконтроля

1. Назовите категории водопользования и охарактеризуйте их.

2. Назовите виды сточных вод и охарактеризуйте их.

3. Напишите формулу для определения кратности разбавления в расчетных створах и расшифруйте физический смысл.

4. Напишите формулу для определения кратности разбавления в озерах и водохранилищах, и расшифруйте ее физический смысл.

5. Назовите условия для возможного смешивания бытовых и производственных сточных вод.

6. Назовите требования к смеси бытовых и производственных сточных вод.

7. Назовите показатели, по которым производят расчет необходимой степени очистки сточных вод.

8. Назовите методы очистки производственных сточных вод и охарактеризуйте их.

9. Назовите методы очистки производственных сточных вод в зависимости от концентрации взвешенных веществ органических и неорганических веществ.

10. Составьте и раскажите технологическую последовательность и взаимосвязь методов очистки производственных сточных вод.