Механическая очистка сточных вод: методы, сооружения, порядок проведения

Сброс неочищенных бытовых и промышленных стоков в природные водоемы способен привести к экологической катастрофе.

Состав загрязнений становится все разнообразнее и агрессивнее, поэтому технологии очистки постоянно совершенствуются.

Практически ни один из методов не обходится без предварительного этапа – механической очистки.

Разбираемся, в чем заключается физическое удаление нерастворимых примесей, какое оборудование при этом используется, для чего нужно обезвоживать осадок.

Понятие

Удаление загрязняющих примесей из бытовых, ливневых и производственных стоков является обязательным мероприятием перед их выпуском в природные водоемы или систему канализации.

Обработка СВ производится на очистных сооружениях в несколько этапов. В первую очередь проводится механическая очистка в качестве подготовки к более глубокой обработке другими способами – биологическими, химическими, физико-химическими.

Технология механической очистки СВ предполагает воздействие на нерастворимые загрязняющие примеси гравитационной или центробежной силы без использования химических реагентов или других видов стимулирования.

К основным способам механического удаления взвешенных веществ относятся:

• отстаивание;
• процеживание;
• фильтрование.

Нерастворимые частицы, загрязняющие стоки, обладают разными размерами, плотностью и массой. Масса образующегося осадка зависит от категории СВ и типа очистных сооружений.

Загрязнения по происхождению условно разделяются на:

• минеральные;
• органические;
• избыточные активные илы.

Для максимального извлечения твердых включений подбирается наиболее эффективный способ.

Для чего применяется такая очистка?

Во время механической очистки задерживаются грубые включения (песок, шлак, камни, растительные отходы), тонкодисперсные примеси (нефтепродукты, масла, жиры), снижаются показатели ХПК и БПК.

Продукт, который образуется при обработке, называется «осадок», эффективность удаления взвешенных загрязнений составляет 90-95%, мелкодисперсных взвесей – 70%, органики – до 25%.

Многие выделенные примеси обладают практической ценностью и могут использоваться в различных сферах промышленности. Повторное использование очищенной технической воды позволяет сохранять запасы рек и морей.

Кроме того, при механической обработке из воды удаляются крупные примеси, способные повредить арматуру, фильтры, не рассчитанные на такие загрязнения, и другое оборудование.

Метод предупреждает зарастание и забивание трубопроводов, создает равномерное движение (усреднение) СВ, снижая нагрузку на аппаратуру за счет сокращения колебаний объемов стоков.

Физическая очистка – это то же самое или нет?

Согласно терминологии нацстандартов ГОСТ 25150-82 и ГОСТ Р 56828.35-2018, механическая очистка СВ – «технологический процесс очистки сточных вод механическими и физическими методами».

Определение позволяет использовать в отношении технологии удаления крупных и нерастворимых примесей оба названия. И все же к видам механической очистки принято относить «традиционные» способы, не требующие возможность сложного оборудования – отстаивание, процеживание, фильтрация.

К физическим способам относятся:

1. Центрифугирование — разделение твердых фракций во вращающемся водном потоке.
2. Флотация — улавливание загрязнений пузырьками газа, созданными в результате аэрации или электролиза.
3. Обратный осмос.
4. Воздействие ультрафиолетом.
5. Термообработка.

Способы и методы

Процеживание

Процеживание – начальный этап очистки стоков от плавающих крупных механических и биологических фрагментов и частиц. На пути самотечного движения сточной жидкости для улавливания обломков древесины, бумаги, мусора, камней устанавливаются решетки, для небольших частиц – сита.

Прочные барьеры очистных сооружений позволяют подавать жидкость под давлением, что значительно увеличивает их производительность.

Качество процеживания зависит от:

• формы и материала стержней;
• ширины зазоров между стержнями;
• способа подачи воды (под напором или самотеком).

Решетки предназначены для задержания частиц от 10 мм. Эффективность удаления твердых включений составляет 40-45%. Более мелкие примеси остаются в жидкости и перемещаются дальше – на процедуру отстаивания.

В случае больших расходов и сильной загрязненности СВ решетки оснащаются механическими устройствами очистки и выгрузки осадка.

Отстаивание

Это способ сепарации фракций с разными физическими свойствами. Процесс также называют гравитационным осаждением. Технология представляет собой осветление сточного раствора от механических включений в поле гравитационных или центробежных сил. Самый простой гравитационный отстойник – песколовка.

Метод применяется в случаях, когда стоки загрязнены примесями с большей или меньшей плотностью по отношению к воде.

Вода движется через последовательно расположенные переливные камеры. Под действием силы тяжести вещества с большей массой выпадают в осадок, а более легкие включения поднимаются в верхний слой жидкости.

К последним относятся загрязнения, характерные для производственных СВ:

• жиры;
• масла;
• смолы;
• нефть и нефтепродукты.

Для выделения примесей применяются:

• маслоуловители;
• жироловушки;
• смолоуловители;
• нефтеловушки.

При этом способе очистки удается выделить только 80 % примесей, поддающихся такой обработке. В среднем этот объем не превышает 60% от общего количества нерастворенных загрязнений.

Продолжительность отстаивания зависит от категории и степени загрязнения стоков. Эффективность отстаивания увеличивают при помощи фильтрования, коагуляции и аэрации.

Фильтрование

Технология подобна процеживанию, но объект ее воздействия – примеси более мелких фракций или суспензии, состоящие из мельчайших частиц, равномерно распределенных в растворе.

Метод заключается в напорном или безнапорном пропускании СВ сквозь пористый засыпной наполнитель, фильтры или специальные перегородки.

В качестве последних используются:

• перфорированные металлические пластины;
• сетки из нержавеющей стали и другого металла;
• перегородки из асбеста, стекловолокна, синтетических тканей.

Выбор фильтрующей преграды определяется коррозионной активностью обрабатываемых СВ, их физическими и химическими свойствами, концентрацией примесей.

Сетчатые фильтры задерживают крупные загрязнения размером до 500 мкм. В зависимости от вида загрузки зернистые фильтры могут удалять даже специфические показатели (хлориды, соединения металлов), а также уменьшать жесткость воды.

В качестве зернистых фильтрующих материалов обычно используются:

• шлак;
• кварцевый песок;
• измельченные частицы пластика или стекла;
• гравий;
• антрацит;
• керамзит.

Один из вариантов фильтрования – использование мультипатронных фильтров (емкостей со сменными картриджами для фильтрации). Мельчайшие поры в картриджах позволяют задерживать частицы до 5 мкм.

Работа установки фильтрации зависит от продолжительности периодов фильтрования и промывки (регенерации) фильтрующей среды очищенным обратным потоком. Чем короче активный период фильтра, тем меньше он подвержен забиванию примесями. От этого скорость обработки в рабочий период возрастает.

Но при этом в целом увеличивается продолжительность простоя фильтрующего узла из-за приостановок для промывки фильтрующего слоя.

Как производится механическое обезвоживание осадка?

Ни одна из технологий механической очистки не обходится без образования осадка – отходов различного состава с разной степенью влажности. Обезвоживание шлама на иловых площадках может оказаться невозможным – способ требует свободных земельных площадей.

Для больших городов с развитой инфрастуктурой использовать технологию естественной сушки осадка СВ нерационально ни с экологической, ни с экономической точек зрения.

Чтобы уменьшить массу и трансформировать шлам в продукт, менее опасный для окружающей среды, проводится обезвоживание – удаление из пор осадка оставшейся жидкости.

В составе шлама содержатся различные химические соединения, влияющие на водоотдачу:

1. Оксиды металлов, кислоты и щелочи интенсифицируют процесс обезвоживания, способствуют сокращению расхода реагентов в случае применения коагуляции.
2. Соединения азота, масла, жиры, различные волокна – неблагоприятные примеси. Они окружают частицы осадка, снижая качество уплотнения и увеличивая концентрацию органики, что отрицательно влияет на водоотдачу осадка.

Осадок без должной обработки способен нанести вред почве, грунтовым водам и поверхностным водоемам. Кроме того, снижение показателя влажности облегчает транспортировку отхода к местам утилизации.

Механическое обезвоживание осадков производится экстенсивными и интенсивными способами. Первые – с помощью уплотнителей, вторые – с применением фильтров, центрифуг, гидроциклонов.

Кондиционирование

У осадка обычно низкий показатель водоотдачи, что затрудняет применение интенсивного обезвоживания.

Поэтому предварительно прибегают к технологии коагуляции –  изменению структуры осадка, чтобы из-за укрупнения загрязняющих частиц уменьшились поверхности раздела дисперсной фазы и дисперсионной среды.

В результате поверхностная энергия связи воды и нерастворимых примесей снижается, затем происходит количественное перераспределение форм связи влаги – содержание свободной воды увеличивается за счет уменьшения доли связанной.

Этот процесс подготовки шлама к более эффективному и быстрому обезвоживанию называется кондиционированием.

Фильтрование

Для обезвоживания шлама фильтрованием применяются вакуум-фильтры и фильтр-прессы. В качестве фильтрующей среды – фильтровальная ткань.

Кроме того, роль фильтра выполняет и приставший к ткани слой осадка, который задерживает более мелкие частицы суспензий.

Через фильтр-прессы выходит осадок с меньшей влажностью, но производительность таких устройств уступает вакуум-фильтрам. Фильтр-прессы особенно эффективны, если обезвоженный осадок затем направляется на термосушку или сжигание.

Центрифугирование

Принцип действия центрифуг – разделение неоднородных фаз центробежными силами.

К сооружениям для центрифугирования относятся устройства следующих видов:

• осадительными и фильтрующими;
• периодического и непрерывного действия.

Для механического обезвоживания шлама СВ чаще применяют горизонтальные центрифуги. Как правило, они оснащаются шнековым устройством выгрузки осадка.

Принцип работы аппарата:

1. Осадок поступает в центрифугу по трубе 1 шнека 2, затем через отверстие 3 поступает в приемную камеру ротора 4. Шнек и ротор запускаются электродвигателя.
2. Крупные включения центробежной силой прижимаются к полости ротора, затем выгружаются в разгрузочный бункер 7.
3. Вытесненная жидкость через сливные отверстия 5 вытекает в трубу слива 6.

Шнек и ротор вращаются в одном направлении, но шнек немного отстает, в результате чего осадок и перемещается по стенкам ротора к бункеру разгрузки 7.

Анализ методов

Преимущества:

1. Вакуумные фильтры не требуют энергозатрат на дополнительную термосушку. При обработке не отделяется песок, отсутствует запах.
2. Камерные рамные фильтр-прессы обеспечивают высокую степень обезвоживания.
3. Ленточные фильтр-прессы просто устроены, экономно расходуют электроэнергию, не требуют предварительной очистки шлама от песка и крупных частиц.
4. Центрифуги качественно удаляют жидкость без использования реагентов.

Недостатки:

1. Вакуум-фильтрация требует дополнительного оборудования для обслуживания, частой замены расходных фильтровальных материалов.
2. Камерные и рамные фильтр-прессы, несмотря на качество обработки, имеют низкую производительность. Кроме того, требуют большого количества реагентов и фильтровальных материалов (в отношении последних – связи с быстрым износом).
3. У ленточного фильтр-пресса внушительные габариты, к примеру, значительно превосходящие размер стандартной центрифуги. При обезвоживании возникает неприятный запах. Осадок после обработки требует дополнительной термосушки.
4. Обезвоживание на центрифугах проводится после предварительного удаления крупных примесей и песка. Дополнительные расходы на термосушку, на замену шнеков.

Сооружения для механической очистки

Отстойники

Отстойники применяются в двух вариантах очистки – в качестве предварительного этапа (частичная очистка) или как основная процедура.

Первый используется, если конечный результат требует максимального удаления всех категорий примесей за счет фильтров, биологических или химических систем. Второго способа достаточно, если удаление только механических включений полностью отвечает установленным требованиям к санитарному состоянию очищенной воды.

Отстойники различаются режимами работы:

1. Проточные – сооружения, в которых примеси удаляются при постоянном движении воды. Это устройства непрерывного действия.
2. Контактные – сооружения периодического действия. При этом режиме водный раствор время от времени остается в покое. На этой стадии примеси осаждаются, частично очищенная жидкость направляется на дальнейшую обработку, а в отстойник подается следующая порция.

Кроме того, отстойники характеризуются общими конструкционными признаками. Остановимся на этом моменте подробнее.

Горизонтальные

Эти емкости часто имеют прямоугольное сечение, разделены на несколько отсеков, оснащены водораспределительными и водосборными аппаратами, а также (в некоторых случаях) приспособлениями для удаления осадка.

Стоки поступают из подводящего трубопровода. Нерастворимые частицы осаждаются на протоке. Чтобы осадок удалялся самотеком, дно делают с небольшим уклоном.

В высокопроизводительных отстойниках могут устанавливаться скребки или насосы, но подобное оборудование требует гидравлического/электрического привода, что приводит к дополнительным затратам на электроэнергию.

Вертикальные

Резервуары круглого или прямоугольного сечения оснащаются камерой осаждения осадка, стоком для отвода жидкости, устройством для задерживания всплывающих загрязнений.

Примеси осаждаются при движении воды от центра резервуара к стенкам. Чтобы увеличить эффективность, нижнюю часть делают под наклоном – конусом или пирамидой.

Производительность средняя, основное применение – для мехочистки хозбытовых стоков. Эффективность очистки – около 50 %.

Радиальные

Это разновидность горизонтальных отстойников. Поток СВ движется горизонтально, в направлении от центра сооружения к периферии.

Труба подачи воды находится в центре отстойника, обработанная жидкость отводится по круговому желобу, осадок поступает самотеком или при помощи скребков.

Сооружения отличает высокая производительность, позволяющая применять их для удаления нерастворимых примесей при больших расходах производственных стоков.

На выбор наиболее эффективной конструкции влияют:

• требуемая производительность;
• технологии удаления осадка;
• рельеф земельного участка;
• состав грунтов;
• уровень подземных вод.

Отстойники – элемент практически всех очистных сооружений. Технологию механической очистки в отстойниках отличает простота конструкции и возможность реализации без электроэнергии.

Оба фактора значительно снижают затраты на очистку СВ – как капитальные, так и эксплуатационные.

Осветлители

Сооружения, выделяющие механические включения с помощью плавучих фильтров, (осветлители) тоже считают отстойниками. Для ускорения осаждения частиц могут использоваться коагулянты или флокулянты – реагенты, способствующие их укрупнению.

Эффективность очистки достигает 70-80%. Часто осветлители эксплуатируются целым блоком из нескольких сооружений.

Аппараты

Ниже мы опишем принцип работы сооружений для механической очистки воды, расскажем, для чего и в каких случаях они применяются.

Фильтры с загрузкой

Для механической очистки сточных вод используется значительное количество фильтров различных конструкций и модификаций:

• пресс-фильтры, нутч-фильтры, барабанные, дисковые, ленточные, карусельные и другие;
• открытые и закрытые;
• непрерывно и периодически работающие;
• напорные и безнапорные;
• функционирующие в вакууме или под давлением.

Скорость фильтрации, в зависимости от типа фильтра, составляет 0,5–25 м/ч.

Фильтры с насыпной фильтрующей загрузкой из песка или других зернистых материалов применяются чаще остальных. Устройства отличает слабая чувствительность к колебаниям качества и объема загрязненной воды.

К фильтрующим материалам устанавливаются определенные требования относительно фракционного состава, механической и химической устойчивости. Диаметр зерен для загрузки колеблется в пределах 0,4-0,8 мм.

Фильтры бывают однослойные и многослойные. Загрузка первых состоит из одного материала, вторых – из нескольких слоев различных материалов, уложенных по принципу уменьшения размера зерен по ходу движения водного потока.

Решетки и сита для процеживания

Решетки делают из металлических стержней с зазором 15-20 мм. Приспособления могут быть оснащены ручной или механизированной выгрузкой осадка, по конструктивным особенностям бывают вертикальными и наклонными.

Кроме того, применяются решетки-дробилки. Устройства устанавливают в клетках стоков вертикально или под углом 60-70^о. Скорость движения потока составляет 0,8-1 м/с.

Периодически решетки требуют механической очистки от осевшего осадка, снятую специальными граблями массу направляют на утилизацию вместе с осадками ЛОС.

Процеживающие сита с ячейками 5 х 5 мм делают из латунной или нержавеющей тонкой проволоки. Перемещение воды зависит от вида сит — через плоские она движется с меньшей скоростью, чем через вращающиеся.

Эффективность очистки на решетках и ситах невысока, составляет не более 40-45 %.

Песколовки

Для извлечения песка и других тяжелых примесей минеральной и органической природы (гравия, грунта, частиц бетона, битого стекла, осколков костей) применяют особую разновидность отстойников — песколовки.

Устройства обязательно включаются в схему ливневой канализации, так как в ливневых СВ содержится много подобных загрязнений, находящихся во взвешенном состоянии.

Трубчатые, статические, динамические песколовки применяются для осаждения частиц > 200 мкм под действием силы тяжести. Обычно такие устройства устанавливают при пропускной способности очистных сооружений более 100 м³/сут.

Песколовки задерживают до 40-50 % примесей с определенной скоростью оседания взвешенных частиц в поле гравитации.

Устройства бывают:

• горизонтальные – с прямым или круговым движением воды;
• вертикальные;
• аэрируемые.

Материал для изготовления песколовок – нержавеющая сталь или стеклопластик, что позволяет эксплуатировать их не менее 20 лет.

Вертикальная

Песколовка-цилиндр действует по законам гравитации — тяжелые загрязнения осаждаются на дно, а жидкость поднимается вверх и движется на следующий этап очистки. Осадок удаляется через нижний штуцер шламосборника.

Горизонтальная

Устройства с круговым движением жидкости предназначены для обработки производственных стоков с нейтральной или слабощелочной реакцией.

Производительность может варьироваться от 1400 м³/сут в небольших конструкциях и до 70000 м³/сут в аппаратах, предназначенных для значительного расхода стоков.

Аэрируемые песколовки

Установки сооружаются для выделения тяжелых минеральных примесей при расходе СВ > 20 000 м/сут. Жидкость перемещается по поступательно-вращательному принципу.

Аэраторы песколовок делают из полимерных трубопроводов с отверстиями до 5 мм.

Жироловки

Это установки для выделения маслосодержащих примесей при отстаивании или фильтровании. Оборудование подбирается в зависимости от вида и концентрации примесей.

Частицы масла с плотностью, уступающей показателю воды, всплывают по тем же физическим законам, по каким осаждаются тяжелые частицы. В результате маслопродукты оказываются на поверхности, откуда собираются маслосборными устройствами.

Нефтеловушки

Для очистки стоков с высокой концентрацией нефти/нефтепродуктов устанавливают нефтеловушки – прямоугольные резервуары. Нефть и вода разделяются за счет разных показателей плотности.

На поверхности образуется нефтяная пленка, а загрязняющие частицы минерального происхождения осаждаются на дне устройства.

Гидроциклоны

В корпусе аппарата водный поток закручивается в воронку из-за особенностей направленности входа и небольшого диаметра. Механические примеси отделяются от жидкости под воздействием центробежной силы.

Устройства способны перемещать водные потоки на большой скорости и показывают хорошие результаты в виде высокой эффективности и разделяющей способности.

Но для работы гидроциклонов необходимо определенное входное давление жидкости, для чего требуется монтаж дополнительного насосного оборудования.

Гидроциклоны целесообразно применять для механической обработки сильно загрязненных СВ:

• буровых водных растворов;
• поверхностных стоков строительных площадок.

Усреднители

Эти установки регулируют (выравнивают) пиковые значения концентраций и расхода стоков. Аппараты повышают эффективность и срок эксплуатации устройств не только механической, но и других видов обработки.

Конструкция усреднителя – прямоугольный резервуар из железобетона. Принцип действия – дифференцирование потока или перемешивание поступающей на ЛОС сточной жидкости.

Видео по теме

Смотрите короткое видео о способах механической очистки воды:

Заключение

Механическая очистка стоков – начальный этап, без которого более глубокая обработка химическими реагентами или с помощью микроорганизмов будет малоэффективной.

Сооружения и устройства для удаления крупных твердых частиц способны не только подготовить стоки к следующим стадиям очистки, но и увеличить срок эксплуатации трубопроводов и очистного оборудования.