Технологическая схема очистки сточных вод: основные методы и их последовательность

В сточных водах присутствует множество растворимых и нерастворимых загрязнителей, поэтому универсального способа удаления примесей не существует.

На выбор технологии влияют состав загрязнений, требуемое качество очистки, категория грунта, пропускная мощность очистных сооружений.

В большинстве случаев при очистке стоков применяют комбинацию нескольких методов.

Рассмотрим, через какие стадии обработки проходят сточные воды, что из себя представляет стандартная технологическая схема очистки и в качестве примера – сколько этапов у обезвреживания стоков рыбоперерабатывающего завода.

Технологическая схема обработки стоков

Типовая схема очистки производственных сточных вод выбирается по преобладающим примесям с учетом их концентрации.

По признаку загрязнения стоки бывают:

• слабозагрязненные одним или несколькими видами примесей;
• содержащие токсичные вещества;
• кислотно-щелочные;
• загрязненные органикой;
• содержащие жиры, нефть и нефтепродукты;
• зараженные патогенными микробами и бактериями.

Существует два метода обработки стоков:

1. Локальная очистка, когда очистные установки размещены непосредственно на территории предприятия и находятся в его ведении.
2. Общая очистка, когда производственные стоки сбрасываются в канализацию, где они смешиваются с городскими стоками и очищаются перед отведением в водоемы. Станции общей водоочистки эксплуатируются коммунальными службами населенного пункта.

Локальная очистка производственных стоков обязательна, если их состав небезопасен для оборудования городской канализации, может разрушающе воздействовать на материал труб и элементы очистных сооружений.

Не допускается отведение промстоков в канализацию, если их температура выше нормативной, или они содержат:

• массу взвешенных и всплывающих веществ, превышающую санитарные нормы;
• примеси, способные засорять сети, откладываться на стенках труб;
• горючие примеси и растворенные газообразные вещества, образующие взрывоопасные смеси;
• вредные загрязнения, препятствующие биологической очистке.

Местной очистке подвергаются СВ от всего предприятия или от отдельных технологических процессов, очищенные до нормативных значений стоки могут отводиться в городскую сеть.

Локальные и общие очистные сооружения функционируют одинаково. Последние характеризуются большими размерами, механизацией процессов.

Очистка СВ осуществляется:

• механическим;
• физико-химическим;
• химическим;
• биологическим методами.

Типовая схема очистки стоков:

1. Перед подачей на очистку стоки в большинстве случаев подаются в усреднители, регулирующие их расход и состав.
2. В схеме предусмотрены сооружения механической обработки.
3. В зависимости от требуемого качества очистки, они дополняются устройствами для других способов обработки (физико-химических, химических, биологических).
4. При более высоких нормативных показателях в комплекс очистных сооружений включаются аппараты глубокой очистки.
5. Перед отведением в природные водоемы очищенная вода подвергается обеззараживанию в устройствах.
6. На всех стадиях образуется осадок (или избыточная биомасса), который подается на сооружения по обработке осадка.
7. Очищенные до нормативных значений стоки используются в оборотных системах, для сельскохозяйственных нужд, сбрасываются в водоем или хозбытовую канализацию.
8. Осадок обезвоживается, затем передается на утилизацию или обезвреживание.

Эффективность работы очистных сооружений определяется, в том числе, режимом сброса стоков от мест образования и режимом подачи стоков на очистные сооружения. По этой причине часто в схеме присутствуют резервуары-усреднители расхода сточных вод.

Стадии очистки

В схеме очистки воды предусматриваются следующие стадии:

1. Механическая.
2. Биологическая и биохимическая.
3. Использование реагентов (коагуляция и флокуляция).
4. Окисление.
5. Восстановление.
6. Нейтрализация.
7. Магнитная обработка.
8. Сорбция.
9. Обеззараживание ультразвуком и ультрафиолетом.
10. Ионизирующее облучение.
11. Ионный обмен.
12. Экстракция.
13. Электрохимическая очистка.
14. Гиперфильтрация.
15. Блок доочистки.

Механическая (физическая) обработка

К механическим технологиям очистки СВ относятся:

• процеживание;
• фильтрование;
• гравитационное отстаивание;
• отстаивание в зоне действия центробежных сил.

Процеживание

Процеживание воды от плавающего мусора проводится с использованием вертикальных или наклонных решеток. Размер прозоров между стержнями – 15–20 мм.

Часто воду процеживают через комбинированные решетки-дробилки – такие устройства не только задерживают крупные примеси, но и измельчают до частиц размером менее 10 мм. Задержанные загрязнения удаляются вручную или механизированными способами.

Фильтрование

Принцип метода фильтрования – разделение дисперсных систем с помощью перегородок, которые пропускают дисперсную среду и задерживают твердую фазу.

Применяется для очистки стоков от тонкодисперсных примесей с малой концентрацией как на предварительных этапах, так и после физико-химической и биологической очистки с сопутствующим выделением в воду взвешенных частиц.

В качестве фильтрующей загрузки используются пористые материалы:

1. Природные – кварцевый песок, дробленый гравий, керамзит, бурый уголь.
2. Синтетические – пенополиуретан, полистирол, полипропилен.

Фильтры бывают с восходящим и нисходящим потоком. В последних дренажная система защищена от воздействия загрязнений, которая работает более надежно. В системах с восходящим потоком дренаж подвержен заиливанию, что приводит к осложнениям в функционировании.

Стандартная схема работы фильтра (с частичной биочисткой):

1, 3, 7 – трубопровод; 2 – фильтр; 4 – водораспределительные приспособления; 5 – наполнитель фильтра; 6 – опорная решетка

1. Стоки по трубопроводу 3 поступают в фильтр 2.
2. Вода через водораспределительные приспособления 4 равномерно разбрызгивается по всей площади фильтра. При этом водой поглощается кислород из воздуха.
3. На фильтрующем материале образуется биологическая пленка, микроорганизмы которой усваивают органические вещества. Интенсивность окисления органики возрастает при подаче сжатого воздуха через трубопровод 1 и опорную решетку 6 – в направлении, противоположном фильтрованию.
4. Очищенная от органических загрязнений жидкость отводится через трубу 7.

Процесс биоочистки в фильтре запускается после образования на загрузочном материале биологической пленки. Период адаптации микроорганизмов в нормальном температурном режиме к определенным органическим веществам составляет 2-4 недели.

Гравитационное отстаивание

В основе технологии очистки в условиях гравитации – свободное осаждение (при более высокой, чем у воды, плотности) или всплытие (в случае более низкой плотности) примесей в песколовках, отстойниках, жироуловителях.

Во время отстаивания происходит расслаивание дисперсионной среды на 3 слоя:

1. Верхний – плавающая пленка.
2. Средний – водная среда.
3. Нижний – тяжелая масса (оседающие фракции).

Осаждение и удаление механических включений на этой стадии предотвращает их гидролитическое разложение, загнивание и дополнительное загрязнение воды растворенными и коллоидными примесями на дальнейших этапах очистки.

Назначение отстойников — удаление органических веществ и коллоидов, снижение нагрузки на систему биологической очистки за счет уменьшения показателей ХПК и БПК.

Отстойные резервуары бывают:

• горизонтальные;
• вертикальные;
• радиальные;
• комбинированные.

Отстойники часто усовершенствуют путем установки тонкослойных модулей, перемещающих хлопья осадка под действием силы тяжести в межплоскостном пространстве к коническому днищу. Из осадочной части шлам откачивается с помощью насосного оборудования и направляется на механическое обезвоживание.

Назначение песколовок – удаление твердых фракций и уменьшения абразивного разрушения приборов, арматуры, оборудования.

Так выглядит стандартная песколовка:

1 – труба для подачи стоков; 2 – съемный элемент перекрытия; 3 – люк для удаления загрязнений; 4 – труба для выпуска стоков; 5 – карман выпуска

Песколовки бывают:

• горизонтальные (с прямолинейным и круговым движением потока);
• вертикальные;
• аэрируемые.

Сооружения задерживают минеральные частицы размером более 0,25 мм. Это резервуары, в которых вода перемещается со скоростью 0,1–0,3 м/с. Взвешенные вещества осаждаются слоем на дно песколовки, через какое-то время слой осадка удаляется. Освобожденная от взвешенных примесей вода отводится в карман выпуска, а затем – в канализацию, водный объект или направляется на следующий этап очистки.

Центробежное отстаивание

Центрифуга шнекового типа:

Гидроциклон:

 

В открытых или напорных гидроциклонах и центрифугах воды очищаются под воздействием центробежных сил. В основе процесса – принцип отделения тяжелых примесей от жидкой фазы под действием центробежных сил, образующихся при вращательном движении потока в аппарате.

Биологический и биохимический методы

Для выделения из жидкости тонкодисперсных и растворенных органических примесей применяются биологические методы очистки. Биологическая обработка – экологически безопасный метод деструкции (разложения) органики.

Кроме того, этот метод позволяет очистить стоки от:

• примесей железа;
• сероводорода;
• аммония;
• марганца;
• уменьшить жесткость воды;
• удалить привкусы и цвет;
• провести обеззараживание.

Технология основана на способности некоторых микроорганизмов усваивать для питания спирты, белки и углеводороды.

Биологическое воздействие осуществляется в:

1. Природных условиях (поля фильтрации, поля орошения, биологические пруды).
2. Искусственно созданных условиях (биофильтры).
3. Аэротенках.
4. Окситенках.

Биологический пруд – искусственно созданный резервуар небольшой глубины, в котором стоки проходят очистку и доочистку. В биопрудах находится много водорослей, синтезирующих кислород, необходимый для комфортной жизнедеятельности микроорганизмов. Наличие фильтрационных полей, на которые сбрасываются СВ – одно из обязательных условий работы биопруда.

Типы прудов:

• контактные водоемы – в стоячей воде ускоряются биохимические процессы окисления;
• проточные водоемы – СВ разбавляются водой природных водоемов;
• анаэробные пруды – применяются анаэробные технологии;
• проточные пруды – СВ не разбавляются водой естественных водоемов.

Поля орошения, фильтрации – земельные участки, приспособленные для очистки стоков путем естественных процессов самоочищения почвы.

При фильтрации стоков через почву в верхнем ее слое задерживаются взвешенные и коллоидные примеси. Они образуют на поверхности почвы пленку, которая густо заселяется микро­организмами. Пленка адсорбирует растворенную органику под действием кислорода (это необходимое условие обработки). Микроорганизмы трансформируют органические примеси в минеральные соединения.

Конструкции аэротенков аналогичны отстойникам. В резервуары помещается активный ил, содержащий микроорганизмы, и подается сжатый воздух для ускорения окисления органики.

Окситенки – модификация аэротенков. В сооружения вместо сжатого воздуха подается кислород, еще более интенсифицирующий процессы. Минус устройств – при такой обработке усложняются условия эксплуатации из-за взрывопожароопасности газа.

Выделяют 2 вида биологической очистки:

1. Анаэробный (брожение). Вода очищается при помощи бактерий, которые не нуждаются в кислороде. На этом этапе трудноокисляемые вещества трансформируются в легкоусваиваемые. Часть органических примесей подвергается деструкции, а основная используется на прирост биомассы. Процесс проходит в метантенках – закрытых емкостях, оснащенных трубой для отвода биогаза – результата брожения. Эффективность очистки – до 85 %.
2. Аэробная очистка. Очистка происходит в результате жизнедеятельности микроорганизмов активного ила в присутствии кислорода. Обработка представляет собой сорбцию загрязнений активным илом и их внутриклеточное окисление микроорганизмами. Растворенные органокомплексы и взвесь не осаждающихся твердых примесей переходят в биомассу активного ила. Для аэробной обработки используются биофильтры и аэротенки. Эффективность достигает 99 %.

Использование реагентов (коагуляция и флокуляция)

Коагуляция необходима в тех случаях, когда обычная механическая обработка не дает удовлетворительных результатов – для ускорения осаждения тонкодисперсных компонентов и эмульгированных смол и других веществ.

При воздействии коагулянтов (солей железа и алюминия, солей кислот) частицы загрязнений укрупняются и начинают осаждаться.

Чтобы снизить расход дорогостоящих реагентов-коагулянтов, ускорить осаждение взвешенных частиц и сократить период обработки, применяется флокуляция – введение в раствор флокулянтов природного и синтетического происхождения.

При флокуляции образуются не частицы, а хлопья, на которых адсорбируются фракции загрязняющих веществ.

При сильном загрязнении флокулянты способствуют осаждению частиц без добавления коагулянтов.

Окисление

Применяется для обезвреживания воды, содержащей токсичные загрязнения – цианиды, комплексы меди и цинка, сульфиды и сероводород.

Окислители:

• озон (самый эффективный);
• хлор;
• фтор;
• пероксид водорода;
• перманганат калия.

Недостаток метода – он экономически затратен (для такой обработки требуется большое количество химических реагентов и помещений для их хранения).

Восстановление

Метод предназначен для обработки сточных растворов с высокой концентрацией легко восстанавливаемых веществ – соединений ртути, хрома, мышьяка.

В качестве восстановителей эффективны:

• сульфит железа;
• гидросульфит натрия;
• диоксид серы;
• сероводород;
• активный уголь.

Нейтрализация

Технология основана на химическом взаимодействии с веществами, придающими воде нейтральную реакцию, разработана для очистки соляно-азотных и сернистых вод от щелочей и кислот.

Наиболее популярный метод – смешение кислых и щелочных растворов. Для перемешивания кислых и щелочных сред используют резервуары-усреднители.

Для нейтрализации кислых вод также применяется метод фильтрования с использованием нейтрализующих добавок:

• гидроксида кальция;
• соды;
• мраморной крошки;
• доломита;
• щелочных соединений.

Магнитная обработка

Приводит к ускорению процесса кристаллизации солей, уменьшает концентрацию ионов кальция и магния, ускоряет коагуляцию с выпадением мелкодисперсного осадка. В результате предотвращается образование накипи в системе, уменьшается отложение органических веществ, например, парафинов.

При электромагнитной обработке в воде сохраняется кальций и магний, что важно при очистке некоторых категорий стоков.

Сорбция

Это поглощение загрязняющих примесей твердыми веществами – сорбентами (активированным углем, керамзитом, цеолитами).

Сорбирующий элемент загружается в блоки в один или несколько слоев. Технология позволяет очистить воду от органики, в том числе, и от не удаляемой другими методами. Дает хорошие результаты при удалении нефтепродуктов, присутствующих в стоках тонкоэмульгированной и растворенной формах.

Обеззараживание ультразвуком и ультрафиолетом

Методы применяются для обработки от бактерий и микроорганизмов хозбытовых стоков, СВ инфекционных больниц, животноводческих и птицеводческих фабрик, мясокомбинатов.

Дезинфекция ультрафиолетом происходит при помощи бактерицидного излучения (длина волны 200-400 нм). Бактерицидное излучение проникает в структуру ДНК бактерии, в результате фотохимических реакций разрушает ее потенциал к делению и размножению.

Ультрафиолет не запускает реакцию образования токсичных веществ, поэтому обработанные СВ безвредны для водного биоценоза.

При воздействии ультразвуком возникает эффект кавитации – образуется много мелких пузырьков, заполненных газом под высоким давлением. Лопаясь, пузырьки создают большой перепад давления, разрушая при этом клеточную оболочку микроорганизма.

Часто эти два метода комбинируют, улучшая качество очистки.

Ионизирующее облучение

Такой вид воздействия применяется для обработки стоков от ядов, токсичных веществ, а также от бактерий и микроорганизмов.

Энергия ионизирующего излучения ниже порога ядерных реакций, поэтому очищенная вода не будет радиоактивной, не будет представлять опасности для природных водоемов, ее можно использовать в оборотном цикле.

Как правило, технология комбинируется с флотацией или адсорбционной очисткой. В сочетании с флотацией уровень очистки СВ почти максимален (до 99 %).

Ионный обмен

Технология, предназначенная для обессоливания стоков, очистки от ионов металлов и других веществ. Производится с помощью ионитов – гранул синтетических ионообменных смол, загружаемых в фильтры.

Экстракция

При экстракции из жидкости удаляются растворенные загрязнения, с переходом их в другую, несмешивающуюся с водой, жидкость – экстрагент.

В результате взаимодействия образуется экстракт (раствор извлеченных примесей в экстрагенте) и рафинат (остаточный водный раствор), из которого удалены загрязняющие компоненты. В качестве экстрагентов чаще остальных реагентов используются органические растворители.

Очищенная от уловленных загрязнений жидкость отводится из резервуара через нижний слив резервуара.

Электрохимическая очистка

Электрохимические методы основаны на воздействии электрического тока с использованием электродов. Электрогидравлический эффект, возникающий при разряде токов высокого напряжения, используется для разрушения сложных молекул. В результате обработки молекулы загрязняющих примесей расщепляются и преобразуются в сильные окислители, способные очистить и обеззаразить воду.

Разновидность методов:

1. Электрокоагуляция. Применяется для удаления коллоидных и взвешенных частиц, примесей с высокой адсорбционной способностью к коагулянту – масла, жиры, нефтепродукты, фенолы, ПАВ, красители.
2. Электрофлотация. Если сточная жидкость содержит высокую концентрацию тонкоэмульгированных нефтепродуктов, жировых эмульсий, ПАВ, некоторых растворенных органических примесей, целесообразна напорная флотация. В основе метода — налипание загрязнений к пузырькам воздуха, образующимся в процессе электролиза. В результате из воды извлекаются взвешенные вещества, нефтепродукты, жиры.
3. Электрохимическая деструкция. Процесс расщепления сложных химических соединений на простые и малоопасные. Технология позволяет обеззараживать стоки от вредоносных бактерий, целесообразна при обработке стоков инфекционных больниц и фармацевтических производств.

Гиперфильтрация

Другое название гиперфильтрации – «обратный осмос». При гиперфильтрации происходит разделение растворов фильтрованием через мембраны под давлением, которое превышает осмотическое.

Полупроницаемые мембраны пропускают молекулы воды, но задерживают ионы солей. Результат обработки – очищенная вода и концентрированный раствор, подлежащий утилизации.

Блок доочистки

Это сооружение, в состав которого входят:

• отстойник с тонкослойными модулями;
• фильтрующий отсек, в котором вода пропускается через зернистую загрузку (кварцевый песок, гравий), где происходит окончательное удаление взвешенных частиц и остатков активного ила, уносимых с биологического этапа очистки.

Стадия доочистки дает высокий эффект очистки и уплотненный ил на выходе.

Очистные сооружения

Как выглядит стандартная многоступенчатая схема очистки стоков (в этом примере – рыбоперерабатывающего предприятия):

1. Сточные воды от места их образования самотеком поступают в усреднитель.
2. Затем с помощью насосов перекачиваются в жироловку и далее направляются в электрофлотокоагулятор.
3. Прошедшие электрохимическую обработку стоки подаются на доочистку в двухступенчатые аэрируемые фильтры.
4. Затем очищенные воды отводятся в хозбытовую канализацию.

А теперь подробно о каждом этапе.

Механическая очистка решетками и жироловками

В резервуаре для задержания крупных загрязнений устанавливается решетка, которая поднимается ручной талью для загрузки мусора в специальный контейнер.

Чтобы взвешенные вещества не осаждались, вода в усреднителе постоянно перемешивается путем рециркуляции части жидкости через систему перфорированных труб. Обычно взмучивание осадка осуществляется от напорного трубопровода, проложенного по периметру резервуара, через патрубки.

Для удаления крупных жироподобных фракций и частиц органического происхождения используются вертикальные или горизонтальные жироловки-отстойники.

Чаще применяются вертикальные конструкции, использование жироловок горизонтального типа для большинства категорий стоков малоэффективно (концентрация жиров в результате отстаивания снижается всего на 30 %). Другой недостаток подобных устройств – трудоемкость сбора жировой массы и осадка.

Вертикальные жироловки с:

• реактивным водораспределителем;
• автоматизированным сбором жировой массы;
• периферийной подачей стоков и нисходящим движением потока в зоне отстаивания

дают эффект задержания жиров и взвешенных примесей до 60 %.

Влажность собранного жира определяется частотой вращения реактивного водораспределителя, оснащенного пеносгоном – чем она выше, тем больше показатель влажности. Концентрация жира в собранной массе – до 80 % по сухому веществу.

Осадок со дна жироловки удаляется под гидростатическим давлением и отводится в емкость, откуда насосом подается в аппарат для обезвоживания осадка. Влажность осадка – до 98 %, концентрация жира – 35–40 % по сухому веществу. Высокое содержание жира в осадке и жиромассе позволяет их эффективно утилизировать.

Кек (слой твердых частиц, оставшийся после фильтрации суспензии) собирается в емкость и передается на утилизацию, обработанная жидкость и вода после промывки фильтров отводятся в производственную канализацию.

Физико-химическая очистка с использованием напорных и электрокоагуляционных устройств

Для улучшения качества очистки в схеме применяются реагенты. Сооружения физико-химической обработки стоков (напорные с применением реагентов и электрокоагуляционные установки) компактны, легко размещаются на территории действующих предприятий.

Они обеспечивают стабильно высокий эффект очистки СВ, которые при последующей биологической очистке не нарушают ее технологию.

Для коагуляции используется известь (100 мг/л) и сернокислый алюминий (90 мг/л).

При проведении электрокоагуляции под действием электрического тока растворяются материалы алюминиевых анодов, образуя гидроокиси – активные коагулянты.

Кинетика процесса определяется:

• исходной концентрацией загрязняющих примесей;
• температурой и рН среды;
• электропроводностью;
• концентрацией хлоридов.

В напорных флотаторах и электрофлотокоагуляторах образуется пенный продукт. После напорной флотации он отводится в декантаторы, после электрофлотокоагуляции – в камеру гашения пены. Для ускорения процесса пеногашения в камеру устанавливается мешалка.

Жировой слой, уловленный в жироловке, направляется в камеру гашения пены.  Образующийся в процессе флотоконцентрат и жиромасса с помощью вакуумного оборудования подаются в резервуар, затем направляются на утилизацию.

Биологическая очистка в биофильтре-стабилизаторе

Для глубокого извлечения органических примесей в технологической схеме очистки стоков рыбоперерабатывающей промышленности устанавливаются биофильтры-стабилизаторы.

Устройство состоит из биологического фильтра и расположенного под ним стабилизатора. Биологический фильтр – элемент очистного сооружения, заполненный загрузочным материалом, через который фильтруется СВ после флотации или коагуляции. На поверхности биофильтра развивается биологическая пленка.

В результате разницы температур сточной жидкости и окружающего воздуха происходит непрерывная вентиляция через загрузку биофильтра.

Таким образом, жизнедеятельность микроорганизмов обеспечивается достаточным объемом кислорода. Газ расходуется в стабилизаторе на минерализацию биопленки и доочистку стоков. Объем растворенного кислорода регулируется под нужные параметры уровня рециркуляции и интенсивности орошения загрузки биофильтра.

Загрузка биофильтра выполняется из перфорированной винипластовой рулонной пленки, которую вертикально навешивают на каркас. Пористость загрузки – 98%, удельная поверхность – 66 м2/м3, расстояние между полосами пленки – 50 мм. Загрузочный материал такого типа выдерживает высокую нагрузку по органическим загрязнениям без заиливания, позволяет работать биофильтру с естественной аэрацией.

По периферии биофильтра-стабилизатора находится отстойная зона, в которой обработанная СВ осветляется и затем отводится, продолжительность стабилизации биомассы с концентрацией 2 г/л составляет не менее 12 дней.

Биомасса стабилизируется при рециркуляции вместе с очищенной с помощью установки флотации сточной жидкостью. Образовавшемуся осадку стабилизация не требуется, он обезвоживается и отправляется на утилизацию.

Видео по теме

В данном видео ролике описана технологическая схема очистки сточных вод от конкретных загрязняющих веществ, в частности, хрома, кислот и щелочей:

Заключение

В статье были рассмотрены основные методы очистки сточных вод – механический, химический, физический и биологический.

Механическая очистка проводится с использованием решеток, песколовок, центрифуг и гидроциклонов, путем отстаивания и фильтрации. Химические технологии – окисление и восстановление, нейтрализация. При физической обработке применяется магнитное и электромагнитное воздействие, ультразвук и ультрафиолет, ионизирующее излучение.

Отдельно выделяются физико-химические способы удаления примесей – коагуляция и флокуляция, флотация и электрофлотация, ионный обмен, сорбция, экстракция, электролиз. Биологические технологии представлены анаэробной и аэробной очисткой, биопрудами, обеззараживанием.

В качестве заключительных этапов очистки применяются электрохимические методы, гиперфильтрация.