Проектирование очистных сооружений

Принципы проектирования водоочистных сооружений и станций аэрации

В последние годы в Европе, на Ближнем Востоке, в Африке и странах Латинской Америки проектируются и строятся современные высокоэффективные водоочистные сооружения во многих населенных пунктах. Это одно из важнейших мировых направлений развития водоснабжения на данный момент.
Большая часть сточных вод, поступающих на ВОС, имеет бытовой характер. Их источниками являются стоки жилых и общественных зданий, ресторанов, больниц и др. Их особенностью является то, что они содержат в основном органические загрязнители растительного и животного происхождения, кислоты, соли и химические элементы.
Их прямой сброс в природные водоемы может привести к нарушению экологического равновесия. С другой стороны, в некоторых регионах планеты большая часть сточных вод, поступающих на ВОС, являются промышленными стоками.
В связи с различиями в составе и концентрации загрязняющих веществ, а также в объемах сточных вод из населенных пунктов разного размера нужна разработка и внедрение разных технологических схем их очистки.

Выбор технологии очистки сточных вод

На выбор технологической схемы влияют как тип загрязняющих веществ, так и некоторые другие ключевые показатели, такие как общий сухой остаток, биохимическое потребление кислорода (БПК) и химическое потребление кислорода (ХПК). Также следует изучить возможности повторного использования воды и стабилизированного ила.
При выборе технологической схемы ВОС и станций аэрации учитывается заранее определенная заказчиком степень очистки, количество и уровень загрязнения стоков.

На данной основе выбираются наиболее подходящие в конкретном случае методы и оборудование для достижения желаемого эффекта очистки.
Наиболее рациональным считается подход, основанный на разработке нескольких вариантов и последующем сравнении набора технико-экономических показателей, а также соответствия очищенной воды санитарно-гигиеническим и экологическим требованиям.
Обычно в технологическую схему водоочистных сооружений входит комплекс из нескольких основных агрегатов, где осуществляется механическая, химическая и биологическая очистка, а также обеззараживание воды и обработка осадка.
Однако, в зависимости от количества сточных вод, некоторые из этих этапов можно исключить.
При небольшом количестве сточных вод допускается использование только механической очистки, а технологическая схема водоочистных сооружений может включать следующее:
• Решетка для удержания крупных примесей.
• Песколовка для тяжелых примесей физического происхождения.
• Отстойники для очистки воды от органических веществ.
• Оборудование для хлорирования (обеззараживания) воды.
• Сушильные площадки для разложения ила.
• Резервуары для метана и др.
Однако в большинстве случаев механическая очистка предшествует биологической стадии или физико-химической очистке воды.
Среди важнейшего оборудования для биологической очистки выделяют биофильтры, биобассейны, вторичные отстойники.
Выбор оборудования определяется в основном количеством сточных вод. Например, биологические фильтры обычно используют для биологической очистки стоков объемом до 50 000 кубических метров в сутки.
Для объемов сточных вод от 50 до 100 тысяч кубометров в сутки считается более целесообразным использование биологической очистки с одноступенчатыми или двухступенчатыми биобассейнами. На небольших ВОС, где используются биофильтры, сточные воды после биофильтра попадают во вторичные отстойники.
В случае очень сильного загрязнения может быть предусмотрена рециркуляция биологически очищенной воды. Перед сливом осветленная вода обеззараживается и дезинфицируется. Ил отправляется для обезвоживания на сушильные площадки, а на более крупных очистных сооружениях обычно используются фильтр-прессы, центрифуги или вакуумные фильтры. При использовании схемы биобассейна механическая очистка обычно осуществляется с помощью решеток, песколовок, преаэраторов и первичных отстойников. В биобассейнах очищенная от механических примесей вода аэрируется, а органические вещества минерализуются с помощью активного ила.
После биобассейна вода поступает во вторичный отстойник, где отделяется активный ил. В биобассейнах количество активного ила постоянно увеличивается, что требует его удаления из системы. Излишки ила отправляются в уплотнители, где его объем уменьшается.
В последние годы в связи с постоянно возрастающими требованиями к качеству очищенной воды стали применяться двухступенчатые схемы биологической и дополнительной очистки.

Расположение водоочистных сооружений

При планировании расположения объектов, входящих в состав водоочистных сооружений, обычно используются два подхода — блочный или функциональный. Блочная компоновка считается наиболее экономически выгодным решением, так как все процессы происходят в одном блоке. Используются общие стены смежных помещений, а длина каналов и трубопроводов существенно сокращается. Применение блочной планировки приводит к уменьшению площади участка строительства, а также оставляет возможности расширения водоочистных сооружений и строительства нового блока, не влияя на работу существующих блоков. Недостатки ее в основном связаны с зависимостью отдельных агрегатов в пределах блока. При необходимости ремонта отдельных элементов ВОС нужно останавливать работу всей системы.
Другая особенность блочной планировки состоит в том, что в случае расширения необходимо расширять все помещения в блоке одновременно. Функциональная компоновка водоочистных сооружений отличается большей эксплуатационной гибкостью. Это решение эффективно используется на участках с разной топографией.
Чаще всего оно выполняется путем объединения разных видов оборудования. Широко используются комбинированные установки, включая первичные отстойники, биохимические реакторы и биофильтры. В состав очистных сооружений, помимо основного оборудования, входит ряд вспомогательных элементов, в том числе устройства для равномерного распределения сточных вод и стабилизаторы ила, устройства для отключения и промывки оборудования, приборы для измерения объема очищенной воды, контролирующее оборудование и др.

Критерии выбора места для строительства

При инженерном проектировании водоочистных сооружений следует учитывать застройку территории и утвержденный градостроительный план для населенного пункта, санитарные, экологические и технико-экономические требования. Санитарно-гигиенические требования касаются расстояния до жилых и общественных зданий, а также обустройства санитарно-защитных зон.
Важно, чтобы строительство велось на некотором удалении от населенного пункта.
Точные границы санитарно-гигиенических зон определяются в зависимости от количества и способа очистки стоков. При выборе оборудования и конкретной технологической схемы учитываются количество и состав сточных вод, необходимая степень очистки, способы очистки и использования осадка, экологические требования, нормы проектирования и многое другое.
При выборе места для строительства водоочистных сооружений следует учитывать направление преобладающих ветров, стараясь располагать оборудование с подветренной стороны. Подобные объекты должны находится ниже по течению от населенных пунктов, чтобы обеспечить беспрепятственный сток и самотечный отвод дождевой воды.

При разработке генерального плана ВОС изначально готовится фотография участка, выбранного для этой цели. На схему наносятся основные сооружения, насосные станции, трубопроводы и коммуникации. Также следует предусмотреть возможность расширения оборудования в будущем.
Важным моментов инженерного проектирования водоочистных сооружений является определение высоты оборудования и оптимальных перепадов высот, чтобы обеспечить беспрепятственное прохождение через них сточных вод.
Высотные сооружения, такие как резервуары для метана и вертикальные отстойники, рекомендуется наполовину врыть в землю. Таким образом, с одной стороны, уменьшается объем выкопанной массы земли, а с другой стороны, земля, извлеченная из выработки, используется для обратной засыпки объектов с целью теплоизоляции. Смещение, необходимое для обеспечения гравитационного движения сточных вод через оборудование, рассчитывается в зависимости от разницы между высотой уровней воды в подающем коллекторе и в приемнике.
Проектирование водоочистных сооружений требует от инжиниринговой фирмы значительного практического опыта и применения передовых технологий для выполнения расчетов. Это связано с широким выбором технологических схем и оборудования, а также широким разнообразием требований, предъявляемых заказчиками.

Особенности очистки промышленных сточных вод

Производственные процессы во многих отраслях промышленности связаны с образованием большого количества сточных вод, содержащих опасные химические загрязнители и ценные реагенты, которые можно восстановить для повторного использования. Высокое содержание как вредных, так и ценных для производственного процесса загрязнителей требует от инжиниринговых фирм принятия особых мер по предварительной очистке промышленных сточных вод.
В свою очередь, высокие требования к качеству воды предполагают использование наиболее совершенных методов очистки. В последние годы из-за постоянно растущего загрязнения воды возросла потребность в поиске способов ее очистки и защиты.
Чтобы отсрочить и даже исключить возможность водного кризиса, были разработаны следующие методы очистки сточных вод:
• Механическая (первичная) очистка.
• Физико-химическая очистка.
• Химическая очистка.
• Биологическая (вторичная) очистка.
• Дополнительная очистка.
• Обеззараживание, или дезинфекция.
• Обработка осадка.
Основным критерием выбора технологии является состав стоков и особенно тип содержащихся в них загрязняющих веществ.
Очистка промышленных сточных вод, в отличие от очистки бытовых сточных вод, обычно направлена не только на достижение необходимых санитарных норм, но и на снижение затрат как на дополнительное водопользование, так и на сырье, используемое в промышленности.
Обычно обработка промышленных сточных вод после производственных процессов предусматривает повторное использование воды и извлечение ценных продуктов.

Регенеративные и деструктивные методы

Очистка промышленных стоков должна осуществляться ближе к месту их использования, что облегчает возврат извлеченных ценных веществ и использование очищенной воды на заводе.
В этом случае очищенная вода может содержать определенные примеси, не влияющие на повторное использование. В случаях, когда вода должна быть сброшена в водохранилище, необходимо очистить ее до уровня, соответствующего санитарно-гигиеническим требованиям и не создающего риска загрязнения водного бассейна.
Методы очистки обычно подразделяются на регенеративные и деструктивные. Регенеративные методы позволяют извлекать из воды ценные примеси, которые можно повторно использовать в производственном процессе. Деструктивные методы предполагают полное уничтожение примесей с целью достижения максимальной степени очистки воды.
В случаях, когда очищенная вода предназначена для повторного использования на предприятии, предпочтительны регенеративные методы.
Они охватывают механическую очистку (фильтрация, осаждение, флотация, фильтрование), а также химические методы (коагуляция, электрокоагуляция) и многие другие. Использование деструктивных методов, полностью уничтожающих все примеси, рекомендуется в случаях, когда требуется сброс воды в водоемы. Это связано с высокими требованиями к качеству воды, в которых не допускается наличие каких-либо загрязнений. Методы регенерации не всегда отвечают этим требованиям.

Для повышения качества обработки многие предприятия проводят более тщательную комплексную очистку, что позволяет использовать оба метода одновременно. В этом случае вначале используются методы регенерации, при которых извлекаются все возможные ценные продукты, после чего начинается деструктивная очистка, при которой оставшиеся в ней загрязняющие вещества тщательно отделяются от воды.
Наиболее распространенными методами деструктивной очистки промышленных сточных вод являются химические методы с использованием специальных реагентов.

Механическая очистка промышленных сточных вод

Как правило, механическая очистка является предварительной.
Она предназначается для удаления содержащихся в воде крупных примесей и для подготовки к следующим этапам — биологической и физико-химической.
Устранение примесей осуществляется фильтрацией и осаждением. Соответственно, основным оборудованием являются сита, песколовки, пылеуловители, маслоуловители и прочее. При механической очистке вода сначала проходит фильтрацию через различные сита и решетки, в ходе которой удаляются крупные примеси и частично нерастворимые вещества.

Чтобы высвободить нерастворимые вещества различной плотности, используются отстойники, в которых тяжелые частицы оседают на дно, а более легкие частицы всплывают на поверхность. Седиментация обычно используется в комбинации с дополнительными методами, такими как коагуляция и фильтрация.

Механическая фильтрация — это очистка сточных вод, при которой вода фильтруется через слой фильтрующего материала с помощью дозирующих насосов. В качестве фильтрующего материала используются различные вещества, имеющие зернистую или пористую структуру. Во время очистки воды в порах или между гранулами фильтрующего материала задерживаются различные нерастворенные примеси. Этот метод может использоваться самостоятельно для очистки сточных вод на промышленных предприятиях и в комбинации с такими методами, как химическая очистка.
Механическая очистка может применяться как самостоятельный метод в тех случаях, когда полученную воду предполагается использовать в технологическом процессе. Во всех остальных случаях механическая очистка является только первым этапом многоступенчатого процесса очистки сточных вод.

Химические и физико-химические методы

Химическая очистка промышленных сточных вод относится к обработке стоков с помощью различных химических реагентов.
Химические методы включают нейтрализацию и химическое окисление с целью добиться нейтральной рН. Среди используемого оборудования основную роль играют смесительные реакторы, а химическая обработка может проводиться непосредственно в месте слива загрязненной воды.
На практике инженеры выделяют две ситуации.
Первый случай — когда сточные воды имеют щелочную природу и обрабатываются кислотами для получения солей.
Второй — когда сточные воды имеют низкий рН.
На следующих этапах воду обрабатывают щелочными растворами, такими как гидроксид натрия и калия. В результате образуются растворимые или нерастворимые соли с выпадением нерастворимых солей.

Физико-химические методы обычно используются для удаления мелких взвешенных частиц в воде. Сюда входят такие процессы, как флотация, флокуляция, коагуляция.
Флотация — это метод удаления различных загрязняющих веществ путем насыщения воды пузырьками воздуха. Он в основном используется для очистки сильно загрязненных сточных вод, в том числе для стоков промышленных предприятий.
По сути, процесс флотации представляет собой интенсивное всплытие мелких пузырьков газа на поверхность жидкости вместе с прилипающими дисперсными частицами, которые образуют тонкий слой на поверхности очищенной воды.
Флокуляция и коагуляция — это очень похожие методы. Здесь очистка воды основана на добавлении реагента (коагулянта и флокулянта), который взаимодействует с примесями в воде и способствует их осаждению. Оба метода предполагают использование дополнительной фильтрации для отделения образовавшегося осадка.

Биологическая очистка промышленных сточных вод

Если промышленные воды содержат биоразлагаемые органические вещества, рекомендуется дополнительно подвергать их биологической очистке.
В зависимости от концентрации органических веществ биологическая обработка может проводиться в аэробных или же анаэробных условиях.
При БПК5 до 400 мг / л очистка проводится в аэробных условиях, а при БПК5 более 2000 мг / л в анаэробных условиях.
При дефиците азота и фосфора в очищенных стоках рекомендуется добавлять их, чтобы достичь соотношения BOD5: N: P = 100: 5: 1.

Оборудование биологической очистки в основном можно разделить на установки, в которых очистка промышленных сточных вод происходит в условиях, близких к естественным, и те, в которых очистка осуществляется в искусственных условиях.
В первую группу установок входят поля фильтрации и биологические озера. Во вторую группу входят биофильтры.
Для водоочистных сооружений с искусственно созданными условиями характерно интенсивное протекание технологического процесса.

Оборудование для механической очистки сточных вод

При поступлении на ВОС вода проходит несколько этапов обработки. Первым из них является механическая очистка, при которой из стоков удаляются крупнодисперсные механические примеси.
Механический способ очистки включает несколько этапов, среди которых фильтрование, осаждение и отделение нерастворенных частиц гидроциклонами и центрифугами.
Важную роль в инженерном проектировании водоочистных сооружений играет выбор наиболее подходящей технологической цепочки и оборудования.

Оборудование для фильтрации сточных вод

В процессе фильтрации используются в основном различные ситовые и колосниковые конструкции, которые характеризуются недостаточно хорошим очищающим действием.
Сита используются редко, поскольку они имеют относительно низкую эффективность и значительное потребление энергии. Их преимущество — небольшая занимаемая площадь. Обычно они используются при очистке городских сточных вод и в промышленности, как часть технологического оборудования для удержания ценных материалов с возможностью повторного использования в производственном процессе.

Среди используемых конструкций сита выделяют роторные, барабанные, дисковые, ленточные и другие.
Основным элементом всех сит, вне зависимости от конструкции, является сетка фильтра, через которую проходит сточная вода.

Различные производители предлагают сетчатые фильтры с отверстиями разного размера. Также допускается использование перфорированных листьев. Материалы, из которых они чаще всего изготавливаются — нержавеющая сталь, латунь и пластик.
Сита очищаются от скопившейся грязи с помощью щеток и сжатого воздуха или промывочной водой. Также доступны самоочищающиеся сита. В основном это барабанные сита, в которых ситовая часть наклонена, и непрерывный поток вод помогает их очищать.

Также используются металлические каркасы, к которым параллельно приварены металлические стержни. Стержни расположены вертикально для облегчения очистки. Часто используемой конструкцией являются стержни с прямоугольным поперечным сечением и закругленными входными краями для уменьшения сопротивления жидкости. Этот тип стержней удерживает наибольшее количество отходов и относительно легко очищается.

В разных конструкциях, в зависимости от назначения решетки, расстояние между отдельными планками сильно различается. В зависимости от расстояния между стержнями сетки подразделяются на грубые, средние и мелкие сетки с промежутками порядка 2 мм. Решетки могут быть подвижными и неподвижными, с ручной или механической очисткой. Механизированная очистка обычно применяется к очень загрязненным сточным водам, где ежедневный объем удерживаемого мусора превышает 100-200 литров.

Также используются дробильные сетки, которые одновременно удерживают и измельчают крупные отходы. Они особенно подходят для небольших ВОС. Их обычно устанавливают в открытые каналы, а прямо перед ними необходимо установить грубые решетки, предохраняющие их от скопления мусора. Решетки — это обязательный элемент любого водоочистного сооружения. Благодаря им задерживаются захваченные сточными водами грубые механические примеси, защищая установленное после них дорогостоящее оборудование от засорения и поломок.

Проектирование оборудования для осаждения примесей

Для отделения тяжелых минеральных примесей, таких как песок, стекло, уголь и другие крупнодисперсные частицы, используются песколовки.
Чаще всего это железобетонные конструкции, в которых откладывается большее количество минералов.

На практике используются три конструкции песколовок — вертикальные, горизонтальные и песколовки с вращательно-поступательным движением. Выбор зависит от направления движения в них потока воды. Вертикальные песколовки имеют наименьшее применение на практике из-за низкой очищающей способности. Горизонтальные, в свою очередь, являются наиболее распространенной конструкцией из-за высокой эффективности.

По форме песколовки чаще всего представляют собой прямоугольные конструкции с различным поперечным сечением в зависимости от движения водного потока. В случае прямолинейного движения потока горизонтальные песколовки имеют прямоугольное или трапециевидное сечение.

Встречаются песколовки с квадратным, треугольным, овальным или другим типом поперечного сечения. Горизонтальные песколовки обычно содержат несколько параллельных и связанных между собой участков.

Каждая секция, в свою очередь, разделена на рабочую часть и камеру. Поток воды проходит через рабочую часть. Камера предназначена для сбора частиц. Форма горизонтальных песколовок с круговым движением воды — цилиндрическая с коническим дном. Рабочая часть образована периферийными кольцевыми пятиугольными канавками. Их преимущество в том, что они занимают значительно меньшую площадь, чем прямолинейные, и относительно более экономичны.

В зависимости от типа движения песколовки с вращательно-поступательным движением подразделяются на тангенциальные, совершающие вертикальное вращательное движение, и аэрируемые, совершающие горизонтальное поступательное движение. В тангенциальных песколовках достигается очень эффективное отделение песка от других частиц.

Это достигается, в первую очередь, за счет создаваемого спирального вертикального движения, которое связано с задержкой меньшего количества органического вещества.

В аэрируемых песколовках вращательное горизонтальное поступательное движение обусловлено одновременным действием двух процессов — подачи сжатого воздуха от пневматических аэраторов, устанавливаемых на одной из продольных сторон, и поступающего в горизонтальном направлении потока воды.

Основное требование для достижения высокой эффективности песколовок — поддержание скорости потока воды в заданных пределах.
Рекомендуемая скорость составляет порядка 0,30 м / с. Она достигается за счет регулирования расхода воды, вытекающей из резервуара.

Для дополнительного удаления песка, отложившегося в песколовках, проектируют специальные сооружения — бункеры, гидроциклоны, площадки и сборники песка.
Усреднители используются для усреднения состава и расхода сточных вод.

В зависимости от способа смешения потока воды усреднители подразделяются на системы с дифференциальным потоком, усреднители с пневматическим и механическим перемешиванием, а также радиальные усреднители-отстойники. Эффективность усреднителей во многом зависит от быстрого и полного смешивания.

Для отделения тонкодисперсных веществ, преимущественно органического происхождения, используются осаждающие конструкции.

Отстойники представляют собой железобетонные конструкции, в которых под действием гравитационных сил частицы с большей объемной массой воды оседают на дно конструкции, а более легкие отделяются на поверхности.

Обычно в зависимости от назначения и места в технологической схеме ВОС отстойники подразделяются на две основные группы, первичные и вторичные.

Первичные отстойники, как часть основных систем механической очистки, устанавливаются в начале цепочки после песколовок.

Вторичные отстойники — обязательный элемент, который должен устанавливаться после биологических водоочистных сооружений.

В зависимости от конструктивных особенностей и направления движения воды отстойники обычно бывают горизонтальными, вертикальными, радиальными и тонкопленочными. При инженерном проектировании водоочистных сооружений важно правильно выбрать технологическую цепочку механической очистки стоков и подходящее оборудование для достижения оптимальных результатов с минимальными расходами.

Технологии химической очистки сточных вод

Необходимость применения методов предварительной очистки промышленных сточных вод связана, прежде всего, с их серьезным негативным воздействием на окружающую среду. Они могут быть токсичными и иметь долгосрочные последствия для экологии.

В практике химической очистки промышленных сточных вод используются такие процессы, как нейтрализация и окисление. В эту обширную группу входят электрохимическая очистка и некоторые другие технологии. Химическая очистка является предпочтительным методом, если отделение примесей возможно только в результате химических реакций между реагентами.
Процесс химической очистки основывается на удалении загрязнителей одним из приведенных ниже способов:
• Превращение примесей в нерастворимые соединения.
• Разделение веществ между твердой и жидкой фазой.
• Разложение примесей на простые химические продукты.
• Трансформация в безвредные соединения.

Инженерное проектирование водоочистных сооружений включает разработку технологии химической нейтрализации сточных вод, а также очистки воды с помощью окислителей.

Химическая нейтрализация сточных вод

Процесс нейтрализации рекомендуется для химической очистки сточных вод, которые имеют кислую либо щелочную природу и не загрязнены другими компонентами.
Данная технология позволяет получить на выходе воду с нейтральным рН, безопасную для экологии.

Технология может включать следующие подходы:
• Взаимная нейтрализация кислых и щелочных сточных вод.
 • Нейтрализация путем добавления реагентов местного действия, полностью растворимых в воде или частично растворимых в ней, таких как растворы кислот, негашеная известь, гашеная известь, карбонат натрия, гидроксид натрия, аммиак.
• Фильтрация сточных вод через нейтрализующие материалы, такие как известняк, доломит, карбонат магния и другие.

Нейтрализация путем смешивания кислой и щелочной воды считается одним из наиболее простых и экономичных методов. Он широко используется в химической промышленности, где предприятия выбрасывают большие объемы химически разнородных стоков.
Из-за различий в формировании и отводе этих вод используются регулирующие устройства и усреднители, с помощью которых стоки равномерно отводят в канализацию и обеспечивается оптимальное использование содержащихся в них кислот и оснований.

Обязательное условие использование данного метода заключается в том, что сточные воды предприятия не должны содержать токсичных или взрывоопасных веществ. Когда сточные воды имеют только кислую или только щелочную природу, используются методы нейтрализации реагентом.

Выбор конкретного реагента зависит от концентрации загрязняющих веществ и природы продуктов, полученных после нейтрализации. Например, реагенты, образующие гидроксид-ионы, используются для нейтрализации минеральных и органических кислот.

Среди наиболее часто используемых реагентов — гидроксид кальция в виде известкового молока из-за его доступности. Другими широко используемыми реагентами являются гидроксид и карбонат натрия.
Следует иметь в виду, что при использовании гидроксида кальция для нейтрализации сточных вод, содержащих серную кислоту, осаждается сульфат кальция (гипс), поэтому проект водоочистных сооружений должен содержать систему отстойников.

Для нейтрализации щелочных сточных вод используются различные кислоты и кислые газы, такие как дымовые газы, содержащие CO2, SO2, NO2, N2O3 и др. Применение кислых газов не только нейтрализует стоки, но и устраняет вредные компоненты самих газов.

Нейтрализация щелочной воды дымовыми газами является очень экономичной технологией, поскольку исключает сброс стоков, снижает потребление пресной воды, экономит тепло для нагрева пресной воды и очищает дымовые газы от кислотных компонентов и пыли.
Нейтрализация промышленных сточных вод предотвращает развитие коррозии в трубопроводных системах, поддерживает оптимальные условия для микроорганизмов в очистных сооружениях и применяется перед сбросом части очищенных вод в водоемы.

Это широко используемый метод регулирования концентрации ионов водорода или гидроксила в сточных водах. Выбор конкретного метода обезвреживания в процессе инженерного проектирования зависит от типа и концентрации кислот в сточных водах, количества и режима поступающих стоков, наличия реагентов и др.

Очистка сточных вод окислителями

Окислительные методы очистки промышленных сточных вод основаны на разрушении загрязняющих веществ до безвредных продуктов под действием сильных окислителей, таких как хлор и его соединения, озон, перманганат калия, перекись водорода, кислород и другие.

Характерной особенностью данной технологии является ее ограниченная применимость в основном к сточным водам, содержащим низкие концентрации загрязняющих веществ. Она используется для очистки промышленных сточных вод, содержащих токсичные примеси (цианиды, сложные цианиды меди и цинка) и соединения, которые нецелесообразно извлекать из сточных вод или удалять другими методами (сероводород, сульфиды).

Активность химических веществ как окислителей определяется их окислительным потенциалом. Хлор или соединения, содержащие активный хлор, являются наиболее распространенными окислителями. Их используют для очистки сточных вод от сероводорода, гидросульфида, фенолов, цианидов и других.

При очистке промышленных сточных вод удаление молекулярных и ионно растворенных веществ путем окисления гипохлоритом натрия является одним из наиболее распространенных и экономичных методов очистки. Также широко используется диоксид хлора, который из-за высокого окислительного потенциала разрушает простые и сложные цианиды из стоков гальванических предприятий, окисляет фенол и его гомологи, предотвращает образование высокотоксичного хлорфенола.

Кислород воздуха используется для окисления сточных вод целлюлозных, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств. Процесс протекает в жидкой фазе при повышенных температуре и давлении.

По мере увеличения температуры и давления скорость реакции и глубина окисления сульфида и гидросульфида увеличиваются. Атмосферный кислород также используется при очистке железосодержащих сточных вод. Углекислый газ, содержащийся в дымовых газах, можно использовать для разрушения сульфидных соединений.

Еще один сильный окислитель, используемый при очистке сточных вод — это озон.
Он способен разлагать многие органические соединения и примеси в водных растворах при нормальной температуре. Окисление озоном может одновременно обеспечить обесцвечивание, устранение вкуса и запаха и обеззараживание.

Озон окисляет как неорганические, так и органические вещества, растворенные в сточных водах. Озонирование подходит для очистки сточных вод, содержащих фенолы, масло, сероводород, соединения мышьяка, поверхностно-активные вещества, цианиды, красители, канцерогенные ароматические углеводороды, пестициды и другие.

Следует иметь в виду, что очищающий эффект озонирования основан на растворимости озона в воде.
Ключевым фактором для его применимости является стабильность, которая уменьшается с увеличением содержания соли, кислотности и температуры.
Сочетание озона и ультрафиолетовых лучей используется для обесцвечивания сточных вод, загрязненных красителями.
Современные водоочистные системы могут использовать озон, генерируемый из атмосферного воздуха или получаемый из технического кислорода.

Удаление концентрированных органических и неорганических примесей

Инженерное проектирование водоочистных сооружений для промышленных предприятий сталкивается с проблемой удаления концентрированных органических или неорганических загрязнителей.
Оборудование для электрохимического окисления на основе электролиза считается наиболее подходящим решением. Химические превращения при электролизе могут быть разными в зависимости от типа электролита и материала электродов, а также от наличия в растворе различных веществ.

По сути, электролиз включает два процесса — анодное окисление и катодное восстановление.
В качестве анода используются электролитически нерастворимые материалы, такие как углерод, графит, магнетит, диоксид свинца и другие покрытия на основе титана.

В качестве катода обычно используются свинец, цинк и нержавеющая сталь. Плотность тока исключительно важна для электрохимического окисления.
Для предотвращения смешивания продуктов электролиза, в особенности газов (водорода и кислорода), которые могут образовывать взрывоопасные смеси, применяется керамическая, полиэтиленовая, асбестовая или стеклянная диафрагма, которая эффективно разделяет анодное и катодное пространство.

В процессе анодного окисления происходит разложение органических веществ, полученных как промежуточные или конечные продукты окисления (органические кислоты, CO2 и H2O). При электролизе щелочных сточных вод, содержащих цианид, анод подвергается окислению цианид-ионов с образованием цианат-ионов и дополнительным электрохимическим окислением до конечных продуктов.

Чтобы повысить электрическую проводимость сточных вод, снизить потребление энергии и улучшить процесс окисления, в некоторых случаях добавляют воду и минеральные соли.
Для химической очистки сточных вод производители водоочистного оборудования сейчас предлагают комплексные инжиниринговые решения, в которых предусмотрено отделение шлама, образующегося в процессе очистки.

Среди оборудования, входящего в состав систем химической очистки, входят смесительные резервуары, реакторы для смешивания и дозирования химических растворов, дозирующие резервуары, мешалки, дозирующие насосы, системы контроля и управления и другие.

Часто предусмотрены системы обезвоживания шлама. Химическая очистка — это очень эффективный метод, обеспечивающий получение воды подходящего состава, которую можно повторно использовать в производстве или сбрасывать в природные водоемы.

Проектирование систем химической очистки для водоочистных сооружений должно основываться на особенностях производственного процесса.

Биологическая очистка сточных вод

Биологическая очистка — это микробиологический процесс, который может происходить в естественной или искусственной среде. Он значительно ускоряется в очистных сооружениях.

Основой этого процесса является постепенное превращение различных биологических загрязнителей из сточных вод в живую массу, называемую активным илом. Эффективная биологическая очистка на водоочистных сооружениях достигается благодаря повышенной концентрации микроорганизмов в бассейне. В этих процессах не используются вредные химические вещества.

Наиболее широко применяются аэробные очистные сооружения. Обычно они устанавливаются на молочных заводах, колбасных заводах, винодельнях, крупных фермерских хозяйствах и других местах.

На этапе инженерного проектирования водоочистных сооружений важно создать условия, необходимые для развития микроорганизмов — особую совокупность физических, физико-химических и других факторов, влияющих на размножение микроорганизмов.

Условия для развития микроорганизмов определяются источниками энергии, питательными веществами, содержанием кислорода, температурным режимом, pH, осмотическим давлением, поверхностным натяжением воды, перемешиванием и др. Чтобы жить и размножаться, микроорганизмам необходима клеточная энергия.

По типу источника энергии используемые микроорганизмы делятся на три большие категории:
• Автотрофные микроорганизмы, которые используют внешние источники энергии, включая солнечный свет и поступающие извне неорганические вещества.
• Гетеротрофные микроорганизмы, которые используют энергию, полученную при разложении поглощенных с пищей и включенных в них органических соединений.
 • Смешанные организмы, использующие оба типа источников энергии.

Для поддержания жизни микроорганизмов помимо энергии необходимы еще и питательные вещества (нутриенты), которыми служат углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера.

В группу нутриентов входят также калий, натрий, кальций, магний, железо, кобальт, молибден, медь и цинк — это так называемые «микроэлементы», содержание которых в микроорганизмах в 10-100 раз меньше, чем основных веществ. Некоторым микроорганизмам требуются также определенные органические вещества, без которых они не могут расти.

Эти вещества называют факторами роста. Сюда относят амины, аминокислоты, витамины, высшие жирные кислоты и гетероциклические соединения.

Другое важное условие для развития микробных сообществ — это наличие кислорода. В зависимости от того, содержит ли вода растворенный кислород, различают аэробные (при наличии кислорода) и анаэробные (при отсутствии кислорода) процессы.

В анаэробных процессах скорость получения энергии низкая, поскольку микробная клетка получает энергию от элементарных окислительно-восстановительных процессов, в которых принимают участие акцепторы или доноры электронов.

Процессы, которые естественным образом происходят в септиках, являются анаэробными и поэтому считаются недостаточно эффективными для преобразования значительных объемов накопленных органических отходов. Для повышения эффективности биотрансформации в таких случаях рекомендуется изменить процесс с анаэробного на аэробный.

Анаэробная очистка сточных вод актуальна только в тех случаях, когда она является частью более сложного технологического процесса очистных сооружений либо когда используется специальная технология производства биогаза. На практике этот процесс считается капризным и нестабильным.

Причины этого кроются в сложной природе, развитии многочисленных микроорганизмов, сложных взаимоотношениях друг с другом и некоторых малоизученных аспектах биохимии и микробиологии. Наиболее эффективными техническими решениями для водоочистных сооружений считаются многоступенчатые системы, включающие аэробные процессы.

Системы аэрации для водоочистных сооружений

Системы аэрации являются одними из основных элементов ВОС, которые обеспечивают эффективный поток процессов аэробной биологической очистки.
Эти системы подразделяются на пневматические, механические, гидравлические и комбинированные.

При инженерном проектировании водоочистных сооружений следует правильно подобрать систему аэрации, от которой зависит способ подачи и распределения кислорода и, следовательно, общая эффективность технологического процесса.
Пневматические системы аэрации используют различное оборудование для подачи сжатого воздуха или кислорода в аэрационное оборудование.

Среди наиболее часто используемых — воздушные компрессоры, вентиляторы высокого давления, воздуходувки и другие. В воде воздух распределяется с помощью аэраторов.
Аэраторы иногда подразделяются на низконапорные (до 0,8 кПа), средненапорные (от 9,8 до 49 кПа) и высоконапортные (выше 49 кПа), в зависимости от давления воздуха на выходе.
Также аэраторы, в зависимости от глубины их погружения, можно отнести к категории слабопогружных (до 1,5 м) среднепогружные (1,8-6 м) и глубокопогружные (более 6 м). На практике одними из наиболее предпочтительных являются системы аэрации среднего давления.

В эту группу входят аэраторы различной конструкции, такие как перфорированные трубки, гребенки, клапаны и другие, среди которых наиболее широко используются перфорированные трубчатые аэраторы. Наиболее часто используемые аэраторы с мелкими пузырьками содержат фильтровальные пластины.

Они обычно изготавливаются из шамота, кварцевого песка или кокса. Фильтровальные пластины размещаются на дне биобассейнов в сборных железобетонных держателях либо же металлических ящиках на специальных каналах. Сами каналы обычно находятся на длинной стороне биобассейна в один или несколько рядов.

Площадь фильтров обычно составляет около 10% площади дна. Их основным недостатком является задержка пыли, ржавчины и других частиц, содержащихся в воздухе, и образование биологической массы снаружи, что снижает их эффективность. Очистка является относительно трудоемким процессом.

Другими часто используемыми аэраторами с мелкими пузырьками являются керамические аэраторы, которые могут быть изготовлены из прочного пористого материала. По форме они бывают куполообразными, губчатыми, дисковыми и трубчатыми. Керамические аэраторы отличаются механической прочностью и простотой монтажа.

По сравнению с фильтровальными пластинами они гораздо менее подвержены загрязнению. Использование аэраторов с мелкими пузырьками обеспечивает высокую эффективность аэрации, но они имеют относительно высокие гидравлические потери.

Наиболее часто используемые аэраторы с крупными пузырьками воздуха представляют собой вертикальные трубы с открытыми концами. Обычно они располагаются на длинной стороне биобассейна и погружаются на глубину около 0,5-1 м от дна. Аэраторы этого типа просты в эксплуатации, однако отличаются значительным расходом воздуха.

Пневматические системы аэрации также включают эрлифтные аэраторы, работающие по принципу эрлифта. По показателям своей эффективности они находятся между аэраторами со средними и крупными пузырьками воздуха. Производятся из металла и пластика.

При выборе пневматической системы аэрации для водоочистных сооружений следует учитывать, что их эффективность зависит от размера пузырьков воздуха, глубины погружения аэраторов, интенсивности аэрации, относительная площадь аэрационных устройств и их расположения в биологических бассейнах.

Виды механических аэраторов

В отличие от пневматических систем, для которых характерна принудительная подача воздуха, принцип действия механических аэраторов основан на интенсивном перемешивании и диспергировании стоков и активного ила с помощью движущихся элементов.
Соответственно, обогащение воды кислородом происходит за счет диффузии кислорода из воздуха.

На практике используются механические аэраторы различной конструкции и режимов работы. Эти устройства могут плавать на поверхности или погружаться в воду, иметь горизонтальную или вертикальную ось вращения.

К числу широко используемых поверхностных систем относят аэраторы с горизонтальной осью вращения, которые конструктивно представляют собой частично погруженные в воду лопасти или щетки, установленные на металлических валах. Механические аэраторы с вертикальной осью вращения могут быть поверхностными и глубоко погруженными, а поверхностные аэраторы в настоящее время являются наиболее востребованным вариантом.

В них ротор находится в непосредственном контакте с атмосферным воздухом, а сам аэратор неглубоко погружен в жидкость. Характерной особенностью работы таких систем является сочетание аэрационного эффекта кругового рассеивания частиц воды и выброса атмосферного воздуха.

В то же время жидкость всасывается из биобассейна к ротору, способствуя лучшему вытеснению и обогащению кислородом воды в бассейне. В глубоко погруженных аэраторах ротор располагается на значительной глубине. Он прикреплен к вращающемуся валу, который может быть полым или находиться в трубке большего диаметра.

Принцип действия таких систем основан на всасывании воды и воздуха через отверстия в корпусе вала и трубке, которые расположены на поверхности воды и над ней. Образовавшаяся водовоздушная смесь поступает через нижнюю часть трубки к ротору, затем разбрызгивается, смешиваясь с жидкостью во всем объеме бассейна. Хорошая аэрация сточных вод также может быть достигнута с помощью гидравлических систем аэрации.

На практике широко используют комбинированные системы, в которых сочетаются элементы рассмотренных выше типов. Они могут быть пневмомеханическими, пневмогидравлическими, пневмогидромеханическими или пневмовибрационными.

Выбор смесителей для водоочистных сооружений

Смешивание в жидкой среде — один из наиболее распространенных технологических процессов.
Основными задачами смешивания жидкой среды являются:
• Получение смеси с четко определенным составом из двух или более компонентов.
• Приготовление эмульсий или суспензий без отделения тяжелой фазы.
• Ускорение химической реакции за счет увеличения контактной поверхности.
• Ускорение теплообмена в реакторах, охладителях и нагревателях.
• Предотвращение осаждения твердых частиц, ухудшающих теплообмен.
• Ускорение массопереноса в диффузионных процессах.

Метод смешивания и тип используемого устройства выбирают в зависимости от свойств отдельных компонентов смеси. При очистке сточных вод одним из основных назначений смесителей является облегчение гомогенизации, суспендирования, эмульгирования, диспергирования и теплопередача. Их часто используют при смешивании сточных вод с химическими реагентами, такими как сульфат алюминия и др.

Процесс очистки бытовых и промышленных сточных вод проходит несколько стадий, включая механическую, биологическую и химическую очистку. При проектировании водоочистных сооружений следует учитывать, что успешное выполнение отдельных этапов очистки требует обеспечения достаточного перемешивания и гомогенизации сточных вод.

С этой целью используются смесители различной конструкции. Постоянно растущие требования к качеству очищенной воды и совершенствование процессов очистки также способствуют увеличению их использования на очистных сооружениях.
Эти агрегаты широко применяются на стадии обработки активного ила, цель которого вызвать движение воды и предотвратить накопление отложений на дне водоочистной установки.
Они также используются для получения однородной смеси сточных вод и добавленных химических растворов.

Типы смесителей для водоочистных сооружений

В зависимости от технологического процесса водоподготовки предпочтение отдается смесителям разных типов, в том числе лопастным, пропеллерным (включая диффузорные), турбинным (открытые и закрытые), ленточным и винтовым (шнековые), погружным и специальным (барабанные, дисковые, вибрационные).
Лопастные смесители используют для смешивания жидкостей с низкой вязкостью, растворения и суспендирования твердых веществ, для смешивания жидкостей. Они также подходят для удержания в подвижном состоянии частиц с низкой скоростью осаждения.

Пропеллерные смесители для сточных вод предпочтительны, когда требуется интенсивное перемешивание жидкостей с низкой вязкостью, для растворения, образования суспензии, быстрого перемешивания, образования эмульсий с низкой вязкостью либо гомогенизации больших количеств жидкости. Они обычно отличаются относительно низким энергопотреблением и доступны в различных вариантах.

Турбинные смесители могут быть открытыми и закрытыми. Их используют для образования смесей, вязкость которых изменяется при перемешивании, а также для получения суспензий, быстрого растворения, абсорбции газов и интенсификации теплообмена.

Ленточные и шнековые смесители используют для смешивания высоковязких жидкостей и тестообразных материалов, очистки стенок резервуаров от липких реакционных масс.

В свою очередь, погружные смесители используют для гомогенизации, суспендирования, перемешивания, аэрации. Отличаясь неограниченной свободой позиционирования, простой установкой и бесшумной работой, погружные смесители для сточных вод обеспечивают эффективное перемешивание в резервуарах любой формы, независимо от глубины, длины и ширины.

Смесители часто делятся на быстрые, медленные, динамические и стационарные.
Стационарные смесители в основном используются в устройствах для медленной струйной коагуляции. Они доступны в широчайшем диапазоне материалов и конструктивных форм. В процессе инженерного проектирования учитывается объем и геометрическая форма резервуаров, вязкость и плотность материала, желаемая скорость перемешивания и другие факторы.

При выборе смесителя следует обращать внимание на материалы. Обычно они изготавливаются из коррозионно-стойкой стали, титановых сплавов и других высокопрочных материалов. Также используются различные покрытия для защиты элементов от коррозии.

Выбор насосов для водоочистных сооружений

При инженерном проектировании водоочистных сооружений одним из важнейших элементов являются насосы разной конструкции, которые выбираются в зависимости от специфики конкретного применения.
Они используются для сбора, передачи, отвода, очистки сточных вод, транспортировки осадка и многих других целей. В настоящее время широко используются различные конструкции центробежных насосов и объемных насосов.

В центробежных насосах жидкость вытесняется за счет центробежных сил. Жидкость нагнетается во входное отверстие рабочего колеса и течет к периферии рабочего колеса. В случае же объемных насосов реализуется так называемый объемный принцип работы в результате непрерывного изменения объема рабочих камер.

Центробежные насосы для сточных вод

Центробежные насосы могут быть одноступенчатыми или многоступенчатыми, с горизонтальным и вертикальным валом, с рабочим колесом одинарного и двойного всасывания, погружные и предназначенные для наземного монтажа.
Погружные центробежные насосы, которые подходят для транспортировки жидкостей, содержащих взвешенные частицы, являются широко используемой конструкцией для транспортировки сточных вод.

Они широко используются в канализационных насосных станциях, промышленных фильтрах, для транспортировки частично очищенных технологических сточных вод промышленных производств.
Погружные насосы также являются подходящим решением для откачки сточных и дождевых вод из жилых и общественных зданий, школ и промышленных предприятий. Их также можно использовать для перекачивания чистой и мягкой воды.

Их широкое применение на практике обусловлено также относительно низкими затратами, связанными с установкой и вводом насоса в эксплуатацию, невысокими эксплуатационными расходами, низкой шумностью, длительным сроком службы и высокой надежностью.

Насосы объемного типа для очистки сточных вод

Из различных конструкций объемных насосов для очистки сточных вод используются в основном дозирующие и винтовые (шнековые) насосы.

Дозирующие насосы

Дозирующие насосы отличаются высокой надежностью и длительным сроком службы. Они сочетают в себе три отдельные функции процесса дозирования — перекачивание, измерение и регулирование.

Группа дозирующих насосов включает несколько разновидностей, в том числе мембранные дозирующие насосы с механическим приводом, дозирующие насосы с гидравлическим приводом, поршневые дозирующие насосы и перистальтические насосы. Дозирующие насосы в основном устанавливаются на водоочистные сооружения.

Их можно использовать в процессе дезинфекции, подготовки сточных вод, обработки осадка и других. Они подходят для работы с агрессивными и вязкими жидкостями, а также с кислотами, щелочами и растворителями. Работа насосов с агрессивными средами требует особого внимания к материалам, из которых изготовлены отдельные элементы их конструкции. Используемые в них материалы должны учитывать такие характеристики жидкости, как температура, химическая агрессивность и др.Поэтому производители широко применяют пластик, термопластичные полимеры и нержавеющую сталь.

Важными характеристиками дозирующих насосов являются максимальный расход на выходе, максимальное давление на выходе, размер входа и выхода насоса. Их особенностью является то, что производимое давление создается не однократно, а постепенно и имеет определенный шаг, достаточный для преодоления противодавления.

Специалисты рекомендуют перед установкой насоса оценить условия эксплуатации насоса, будет ли насос работать на открытом воздухе, в помещении, наличие пыли, дыма и прочего. При эксплуатации насоса на открытом воздухе рекомендуется защищать его от прямых солнечных лучей.

Что касается температуры окружающей среды, большинство дозирующих насосов работают при низких температурах. Если насос предназначен для работы в подобных условиях, может потребоваться защита от замерзания и контроль температуры. При эксплуатации насоса в агрессивных средах рекомендуются специальные покрытия.

Винтовые (шнековые) насосы

Конструкция винтовых насосов делает их подходящими для транспортировки жидкостей с высокой или же средней вязкостью, а также для жидкостей, содержащих твердые частицы и свободный газ, грунтовых вод и воды, содержащей значительное количество песка.

Единственной движущейся частью винтовых насосов является рабочий шнек, который вращается в винтовом статоре, постепенно уменьшая объем рабочей камеры. Вдоль линии контакта между шнеком и статором образованы каналы, по которым проходит жидкость.

Постоянная площадь этих каналов на каждой секции по всей длине насоса обеспечивает равномерный поток жидкости без пульсаций. Винтовые насосы считаются подходящими для транспортировки большого количества сточных вод под низким давлением.
На ВОС их активно применяют для транспортировки неочищенного осадка различного содержания. Это оборудование чрезвычайно устойчиво к высоким нагрузкам и может работать без воды.

Технологические тенденции в области очистки сточных вод

Операторы очистных сооружений сталкиваются с растущими проблемами, связанными с выявлением все большего количества загрязняющих веществ, быстрым ростом населения, ростом промышленной деятельности и сокращающимися запасами пресной воды.
Традиционные процессы больше недостаточно для удаления химических и микробных загрязнителей из сточных вод. Эффективность старых технологий постоянно снижалась в течение последних двух десятилетий, требуя новых подходов.

Более широкое понимание последствий загрязнения воды и рост спроса на воду высокого качества со стороны населения привело к введению строгих нормативных требований, включая расширение спектра регулируемых загрязнителей, снижение предельно допустимых концентраций в стоках, запланированных для сбросов в водоемы.

Особое внимание сегодня уделяется удалению биогенных веществ (азота и фосфора) и синтетических органических соединений из-за их значительного воздействия на здоровье человека и окружающую среду. Технологические тенденции в области очистки сточных вод во многом диктуются истощением водных ресурсов, увеличением численности населения и промышленным ростом.

Все большее значение приобретают повторное использование бытовых и промышленных сточных вод и рекуперация загрязняющих веществ в результате промышленных процессов. Особенно это актуально для пустынных районов, где транспортировка пресной воды требует значительных затрат. Повторное использование воды становится важным из-за опасений по поводу загрязнения водных ресурсов токсинами, выделяемыми промышленными предприятиями. Реализация этой концепции требует передовых технологий очистки для удаления потенциально вредных компонентов, которые невозможно удалить ни одним из обычных процессов.

Сточные воды как ценный ресурс

Инновации в очистке сточных вод основаны на представлении, что стоки могут быть ценным ресурсом. Однако возможность повторного использования и извлечения из них сырья зависит от многих факторов — эксплуатационных расходов, потенциальных доходов, стоимости ресурсов, инженерных решений для реализации этого процесса и других факторов.

Большая часть непитьевой воды для бытовых и коммерческих целей может быть получена из стоков и собранной дождевой воды. Однако для того, чтобы эти системы стали устойчивыми в будущем, необходимо разработать и внедрить новые методы очистки сточных вод и управления водными ресурсами.

Инновации в физико-химических методах очистки сточных вод

Для повышения эффективности удаления твердых частиц из сточных вод была разработана система с плавающей фильтрующей средой. Сточные воды поступают восходящим потоком в осадитель, проходя через фильтрующий слой из материалов с сетчатой структурой и меньшим удельным весом, чем у воды.
Плавающий фильтрующий материал очищается воздушными форсунками, создавая циклический поток, который помогает отделить твердофазные компоненты на фильтре. Еще одна недавняя разработка — это осадитель для жидкостей, содержащих взвешенные частицы. В осадителе взвешенные частицы разделяются в два этапа, естественной флотацией (если их плотность ниже плотности жидкости) или путем флотации растворенным воздухом с последующей фильтрацией песком, антрацитом или другим фильтрующим продуктом.

От некоторых промышленных процессов, таких как производство полупроводниковых компонентов, отделяются сточные воды с высокой концентрацией растворенных твердых веществ. Система, использующая электрическое поле, была разработана специально для разделения взвешенных и растворенных частиц, таких как соли металлов. Данный процесс включает фильтрацию воды через мембрану в присутствии электрического поля, которое отталкивает частицы от поверхности мембраны.
При пенной флотации сточные воды обрабатываются газом (обычно воздухом) для тщательного отделения содержащихся в них твердых или жидких веществ (нефти).

Одна из новых технологий — многоступенчатая флотационная колонна, которая, помимо очистки, может использоваться для обезжиривания переработанной бумаги, обогащения минералами и других применений. Ряд всасывающих трубок, расположенных вдоль оси и разделенных перегородками, обеспечивает индивидуальное перемешивание во флотационной колонне, а специальный газораспределитель генерирует мелкие пузырьки. Благодаря конфигурации труб на каждой стадии флотации создается замкнутый поток воды.
Это обеспечивает равномерное распределение пузырьков газа по всей колонне, значительно улучшает перемешивание и, следовательно, контакт пузырьков с загрязнителями.

Влажное окисление — еще один инновационный метод очистки сточных вод в присутствии кислорода при высокой температуре и давлении. Когда процесс протекает в жидкой фазе без катализатора, его скорость невысока. Несколько лет назад японские ученые создали специальный катализатор, с помощью которого влажное окисление поможет удалять органические и неорганические вещества независимо от их концентрации.

Кроме того, использование катализатора ускоряет реакции и позволяет контролировать параметры технологического процесса. В настоящее время проводится ряд исследований по созданию мембран из наноматериалов, которые обеспечат эффективное отделение металлических и биметаллических наночастиц, смешанных оксидов, цеолитов и углеродных соединений из сточных вод, Эти работы позволяют надеяться на повышение эффективности очистки сточных вод.

Инновации в биологических методах очистки сточных вод

Современные тенденции в области очистки сточных воды направлены на усовершенствование биологической очистки. Биологические методы используются для очистки бытовой и промышленной воды путем преобразования растворенных или взвешенных субстратов в биомассу, которая впоследствии отделяется от воды.
Способы утилизации или повторного использования остаточной биомассы (ила) требуют предварительной обработки, которая включает разложение, уплотнение и обезвоживание для увеличения концентрации твердых веществ до 20-40%.

Экономические выгоды уменьшения содержания воды в иле могут быть значительными. В старых капельных фильтрах используется прикрепленная к фильтрующему материалу биологическая пленка, предназначенная для удаления и преобразования органических веществ в диоксид углерода и воду и аммиака в нитраты. Слой фильтра обычно изготавливается из гравия, дерева или гофрированного пластика, что увеличивает максимально активную биологическую поверхность.

В современных капельных биофильтрах в основном используются пластиковые модули, а повторная переработка биомассы, прикрепленной к субстрату, фактически не требуется. Несколько лет назад была разработана технология очистки сточных вод, при которой раковины мидий используются в качестве субстрата для аэрационной камеры. После удаления перламутрового слоя их поверхность становится шероховатой и благоприятной для развития микроорганизмов.

Сточные воды очищаются в биологической камере аэрации, а затем поступают в камеру адсорбции с активированным углем. Наконец, очищенная вода проходит через камеру денитрификации. В целом, современные тенденции в области очистки сточных вод направлены на улучшение качества воды и удаление все более широкого спектра загрязнителей наиболее безопасными и экономически эффективными способами.

Проектирование электрооборудования для водоочистных сооружений

Исправность электрооборудования имеет решающее значение для эффективной, непрерывной и безотказной работы водоочистных сооружений. Перед инжиниринговой фирмой стоит задача спроектировать внутренние электрические сети таким образом, чтобы гарантировать безопасность и качество выполняемых процессов, а также обеспечить минимальные потери электроэнергии.
Основными требованиями к электрическим установкам ВОС являются надежность, простота эксплуатации и технического обслуживания на протяжении всего жизненного цикла, а также возможность масштабирования для будущего расширения. При проектировании водоочистных сооружений важно учитывать, что затраты на электроэнергию составляют около 30% от общих эксплуатационных затрат объекта.

Инженерное проектирование

Ключевыми приоритетами при выборе электрооборудования для водоочистных сооружений являются стабильность и минимальные перерывы в работе. Стоимость монтажа внутренних электрических сетей обычно составляет около 5-10% от общего бюджета проекта.

Эти объекты характеризуются длительным сроком эксплуатации, так как большинству действующих водоочистных сооружений по всему миру более 25 лет, а некоторые работают уже более 50 лет. В некоторых странах ВОС, построенные в XIX веке, еще эксплуатируются. Вот почему эксперты настоятельно советуют инвестировать в качественное электрооборудование. И последнее, но не менее важное: характеристики электрооборудования, порядок проектирования, монтажа и ввода в эксплуатацию должны соответствовать всем применимым нормам и стандартам, чтобы сократить время реализации проекта и минимизировать риски для персонала и материальных ценностей.

Эксплуатация, обслуживание и мониторинг

На водоочистных сооружениях протекает ряд непрерывных процессов, требующих надежного электроснабжения. Для достижения этого инженерам рекомендуется:
• Выбрать архитектуру, которая обеспечивает оптимальный баланс между управлением рисками и окупаемостью инвестиций.
• Подбирать надежное электрооборудование в соответствии с предполагаемым использованием и ожидаемыми нагрузками.
• Обеспечить регулярное техническое обслуживание и ремонт электрического оборудования в соответствии с профилактическими мероприятиями.

Унифицированные платформы для автоматизации, мониторинга и управления объектами, которые включают системы мониторинга и управления энергопотреблением, все чаще внедряются на современных очистных сооружениях. Их функция заключается в оказании помощи операторам в принятии решений и / или инициировании необходимых корректирующих или предупреждающих мер.

Решения по управлению энергопотреблением обычно включают инструменты для мониторинга всего электрического оборудования на очистных сооружениях в реальном времени, создание аварийных сигналов, сбор данных, отслеживание событий, анализ неисправностей, удаленная локализация и устранение неисправностей электрического оборудования и некоторых связанных агрегатов (электродвигатели).

Возможности масштабирования и модернизации

Хотя запланированный срок службы современных водоочистных сооружений составляет несколько десятилетий, технологии и процессы, оборудование, стандарты и нормативно-правовая база в области очистки сточных вод постоянно меняются. Кроме того, требования по повышению энергоэффективности и сокращению углеродного следа постоянно растут.

Следовательно, электрические установки на очистных сооружениях должны быть масштабируемыми, совместимыми с оборудованием сторонних производителей и использовать стандартные протоколы. На новых объектах необходимо проводить регулярное обслуживание и регулярную модернизацию, чтобы избежать износа.

В случае расширения и модернизации действующих водоочистных сооружений рекомендуется выбирать такие электрические системы и оборудование, которые просто интегрируются в существующие электроустановки с минимальными перерывами в работе объектов. Новое электрооборудование обязательно должно соответствовать стандартам надежности, работоспособности, ремонтопригодности объекта, а также предоставлять ему аналогичные возможности, включая меры по переоснащению и модернизации.

Безопасность персонала и материальных ценностей

Прежде всего, электрическое оборудование на очистных сооружениях должно быть безопасным. Для этого электрические установки проходят испытания и валидацию.
Само оборудование должно соответствовать всем нормам использования на водоочистных сооружениях, а также иметь необходимые сертификаты. Важными вопросами инженерного проектирования являются обеспечение надлежащей защиты и доступности.

Для обеспечения безопасной эксплуатации и обслуживания важно на этапе проектирования установок и оборудования установить механические и электрические функции блокировки, а также создать условия для внедрения систем контроля и управления. В целях обеспечения безопасности работы и функциональности на современных ВОС электрооборудование проектируется в расчете на немедленную интеграцию с системами мониторинга энергии и процессами очистки.

Современные методы обеззараживания сточных вод

Во время обработки сточных вод на водоочистных сооружениях они подвергаются в основном механической и биологической очистке. Механическая очистка, в первую очередь, удаляет крупнодисперсные твердые примеси.

Биологическая обработка направлена на удаление органических загрязнителей. Поскольку до 98% патогенных бактерий удаляется из сточных вод в процессе биологической очистки, их обычно дезинфицируют после этого этапа, но до попадания в приемник.

Задача состоит в том, чтобы полностью удалить содержащиеся в воде патогенные микроорганизмы, бактерии и вирусы, предотвратив тем самым риск загрязнения водозаборов. Использование естественных методов биологической очистки, таких как фильтрационные поля, позволяет достичь очень высокой степени дезинфекции, превышающей 99%.

При инженерном проектировании водоочистных сооружений в основном планируются химические и физические методы для обеззараживания сточных вод. Химические методы основаны на специальных реагентах, которые разрушительно действуют на бактериальные клетки или вирусные частицы.Эти методы включают хлорирование, озонирование, обработку солями тяжелых металлов и другие.

Физические методы обеззараживания стоков включают воздействие на микроорганизмы ультрафиолетовых лучей, ультразвука, высокой температуры и другие. Сегодня широко используются как физические, так и химические методы дезинфекции.

Химические методы обеззараживания

Специалисты в области проектирования водоочистных сооружений уделяют особое внимание химическим методам обеззараживания воды с использованием хлора и его соединений, а также кислорода и его аллотропной формы, озона.
Химическое обеззараживание сточных вод может происходить в два этапа, каждый из которых предполагает добавление в воду очень сильного окислителя. Это делается для максимального улучшения качества обеззараженной воды. На обоих этапах в воду можно добавлять одни и те же химические вещества или разные, например, комбинацию озона и хлора. Также можно комбинировать химические методы с физическими, что позволяет сократить количество используемых химикатов.

Обеззараживание сточных вод хлорированием

На практике хлорирование является одним из наиболее часто используемых методов обеззараживания сточных вод. Это связано как с высокой эффективностью этого метода, так и с низкой стоимостью. Также при хлорировании вода приобретает бактерицидные свойства, поскольку обеззараживающий реагент сохраняется в воде длительное время.

Хлорирование воды обычно проводят хлором в газообразном состоянии или соединениями, которые содержат активный хлор, такими как хлорная известь, гипохлорит кальция, диоксид хлора и гипохлорит натрия. Хлор в чистом виде — это ядовитый газ зеленовато-желтого цвета с резким неприятным запахом. Он имеет высокую плотность и вдвое тяжелее воздуха. Его обеззараживающий эффект обусловлен окислением и инактивацией ферментов, входящих в клеточную протоплазму бактерий, в результате чего они погибают. Обеззараживание сточных вод чистым хлором осуществляется путем введения в воду газа, который реагирует с водой и растворяется в ней. В результате происходит гидролиз, в ходе которого образуются соляная кислота и хлорноватистая кислота. Хлорноватистая кислота представляет собой сильный окислитель. Он диссоциирует в растворах с образованием иона гипохлорита ClO- и иона водорода H+. Образующийся гипохлорит-ион вместе с хлорноватистой кислотой убивает многие бактерии.

Эффективность обеззараживания чистым хлором

Эффективность обеззараживания сточных вод чистым хлором зависит от его растворимости в воде, которая изменяется под влиянием таких факторов, как давление и температура. Оптимальными для растворения хлора считаются низкая температура и высокое давление воды.

Нужно иметь в виду, что по мере увеличения количества недиссоциированных молекул хлорноватистой кислоты бактерицидный эффект усиливается, и наоборот. Также при обеззараживании сточных вод хлором необходимо уделить серьезное внимание определению доз реагента, необходимых для полного уничтожения потенциально опасных микроорганизмов.

Эти дозы зависят от степени предварительной очистки воды. Обычно оборудование для хлорирования очищенных сточных вод не отличаются от установок для очистки питьевой воды. Их основные элементы включают хлоратор с хранилищем хлора, смеситель и контактные емкости. Хлорирующие аппараты располагаются в хлораторе, обычно с использованием аппаратов высокого давления или вакуума, которые могут быть непрерывного или прерывистого действия с постоянным и пропорциональным дозированием. В последнее время наблюдается тенденция устанавливать все больше вакуумных хлораторов, в которых риск утечки хлора минимален. Контактные резервуары напоминают отстойники без механических очистителей шлама с уклоном до 5%. При инженерном проектировании водоочистных сооружений допускается исключать контактную емкость для случаев, если от коллектора после до водозабора обеспечивается контакт воды с хлором в течение 30 минут.

Обеззараживание воды гипохлоритом натрия

Обеззараживание сточных вод гипохлоритом натрия в основном используется в тех случаях, когда суточное потребление хлора очень низкое и возникают некоторые трудности с хранением, транспортировкой и приготовлением газообразного хлора. Гипохлорит натрия — это продукт, полученный путем гидролиза концентрированного раствора хлорида натрия (NaCl).

Процесс осуществляется в электролизерах с графитовыми электродами. Считается, что процесс получения гипохлорита натрия проще, чем приготовление чистого хлора. Гипохлорит натрия является прекрасной альтернативой хлору, а достигаемая эффективность обеззараживания сточных вод сопоставима с эффективностью хлора.
Обеззараживание воды гипохлоритом натрия достигается при концентрации всего 1,5-3,5 мг / л. Хлорная известь, содержащая до 36% активного хлора, также может применяться для обеззараживания сточных вод. Она подходит в основном для небольших водоочистных сооружений с производительностью до 1000 кубометров в сутки.

Обеззараживание сточных вод озоном

Озон — один из самых сильных природных окислителей, чьи окислительные свойства превосходят свойства чистого хлора. Он обладает высоким окислительным потенциалом, что обеспечивает быструю реакцию в водных растворах.
Озон интенсивно вступает в реакцию со многими минеральными и органическими соединениями и обладает сильным бактерицидным действием. Озонаторы сточных вод сегодня включают в технологические схемы при проектировании водоочистных сооружений ввиду высокой эффективности. Метод считается одним из наиболее чистых и безопасных для здоровья и окружающей среды.

После завершения реакции озон разлагается или превращается в безопасные соединения. Это практически исключает возможность попадания озона в очищенную воду. Озон — это аллотропная форма кислорода. Для молекулы озона характерно то, что она нестабильна и легко диссоциирует в воздухе и вода, превращаясь в кислород. Более высокая активность озона по сравнению с молекулярным кислородом объясняется тем, что расщепление молекулы озона сопровождается выделением энергии.

Использование озона для обеззараживания сточных вод дает несколько эффектов:
• Окисление неорганических и органических веществ.
• Высокое бактерицидное действие (до 99,8%).
• Вода одновременно обесцвечивается и дезодорируется.
• Обогащение воды кислородом.

Преимуществом озонирования является то, что большинству компаний не приходится импортировать химические реагенты, а солевой состав очищенной воды не меняется.

Озонаторы для водоочистных сооружений

Обычно озон получают в результате безискровой передачи электрического тока высокого напряжения порядка 15–25 кВ через воздух или кислород. Для производства используют в основном два типа озонаторов — трубчатые и пластинчатые.
Трубчатые озонаторы состоят из специальных трубчатых элементов. Электроды представляют собой трубки, помещенные друг в друга, а стеклянная трубка используется в качестве диэлектрика.
В пластинчатых же озонаторах элементы имеют форму пластин. Современные конструкции озонаторов обычно предусматривают сушку, обеспыливание и охлаждение воздуха перед его подачей непосредственно в устройство для озонирования.

Одна из причин все еще недостаточного распространения технологии озонирования — относительно дорогое оборудование и высокое потребление электроэнергии. Высушивание происходит в специальных адсорберах, наполненных каким-либо адсорбентом, например, силикагелем.
Для отделения пыли от воздуха используются специальные тканевые фильтры. Воздух можно охлаждать в адсорбере или пропуская его через теплообменники.

Обеззараживание производится путем введения воздушно-озоновой смеси в воду, подготовленную для обеззараживания и подаваемую в контактную емкость. Поскольку озон является умеренно растворимым газом, предпочтительно подавать воздушно-озоновую смесь в контактную камеру с помощью дозирующих насосов с последующим ее удалением.
Время контакта озона с водой очень короткое, от 5 до 20 минут, но из-за сильных окислительных свойств озона этого достаточно. Основной проблемой при обеззараживании сточных вод озоном является высокая скорость его разложения. Из-за этого озон в некоторых случаях может не полностью окислить некоторые органические соединения.

На практике водоочистные сооружения обычно комбинируют методы обеззараживания хлорсодержащими соединениями и озоном, чтобы повысить качество очищенной воды. Стоимость инженерного проектирования водоочистных сооружений Когда заказчики рассматривают возможность строительства или расширения существующей системы водоочистных сооружений, их в первую очередь интересует стоимость проекта.

Сегодня водоочистка представляет собой сложный многоступенчатый технологический процесс. Это индивидуальное инжиниринговое решение, стоимость которого варьирует в широких пределах в зависимости от используемых технологий и оборудования.

Важнейшим фактором, который влияет на стоимость проекта, является скорость потока сточных вод, то есть объем стоков за единицу времени. Инвестору следует учитывать состав сточных вод и нормативные требования, поскольку нарушение правил может обернуться штрафами в процессе эксплуатации. Понимание этих факторов поможет определить потребности бизнеса и уточнить бюджет проекта. Одни инженерные решения подходят промышленным предприятиям, которые сбрасывают металлы, кислоты или нефтепродукты. Другие опции нужно подбирать для коммунальных компаний, где преобладают сточные воды с органическими примесями