Перед повторным использованием или выпуском в природные водоемы сточные воды подвергаются целому комплексу мероприятий по многоступенчатой очистке. Это происходит, как правило, в специальных установках.
Процесс состоит из отдельных стадий, направленных на удаление загрязнений определенных разновидностей, происхождения и объема.
То есть каждый этап очистки имеет свое предназначение и особенности, которые мы и рассмотрим в данной статье.
Основные этапы искусственной очистки
Очистка СВ – комплекс мероприятий по удалению загрязнений, содержащихся в бытовых и промышленных стоках перед их отведением в водные объекты, использованием в оборотном цикле.
К этапам очистки относятся 5 последовательных стадий:
- механическая;
- биологическая;
- химическая;
- физико-химическая;
- дезинфекция (обеззараживание).
Период и условия обработки водных масс на каждом этапе зависит от множества факторов, в числе которых производственный потенциал очистных сооружений и требования к составу воды после очистки.
Далее рассмотрим характеристику каждого из основных этапов искусственной очистки сточных вод.
Механический
Процесс очистки стоков начинается с механической обработки, при которой происходит задержание крупных нерастворимых примесей.Комплекс из нескольких установок очищает водный поток от загрязнений органического и неорганического происхождения, одновременно подготавливая его к следующим этапам.
Механическая очистка СВ реализуется путем фильтрации или отстаивания.
Основные инструменты:
- решетки, сита;
- механические грабли;
- дробилки, решетки-дробилки;
- шнековые транспортеры, шнековые прессы;
- песколовки;
- уловители;
- первичные отстойники;
- скребковые и цепные механизмы;
- сетчатые микрофильтры.
Механическая очистка применяется в большинстве современных установок почти в каждом случае, но практически никогда как самостоятельный метод. Причина – подобными методами невозможно извлечь (удалить, разрушить, нейтрализовать) химические и органические примеси, на механическом этапе удаляются только грубые или тонкодисперсные примеси.
Алгоритм механической обработки стоков:
- На первой стадии очистки, для задержания крупных фракций органической и минеральной природы применяются решетки и сита. Отходы, снятые с этих приспособлений, подлежат утилизации.
- Затем жидкость проходит через песколовки, в которых мелкие фракции песка, шлака, стекла, почвы осаждаются в результате гравитации, а также через нефтеловушки или жироловки, в которых с поверхности воды гидрофобные примеси удаляются путем флотации. Песколовки бывают горизонтальные, вертикальные и щелевые. Первые две разновидности устройств используют на очистных сооружениях, щелевые – на каналах. Песколовки обычно проектируют двухсекционными, чтобы во время текущего ремонта и очистки от загрязнений работала хотя бы одна секция, даже с временной перегрузкой.
- Следующая стадия очистки – отстаивание в первичных отстойниках, где осаждаются взвешенные частицы, формируется пленка из загрязнений на поверхности воды. Отстойники – железобетонные резервуары глубиной 3–5 м, радиальной или прямоугольной формы. Стоки подаются снизу, осадок со дна собирается скребками, а поплавок сверху собирает более легкие, чем вода, примеси в бункер
Если требования к качеству обработанных стоков позволяют их отводить в водоем после первичных резервуаров, то в схеме механической очистки предусматривается обеззараживание (например, хлорированием) в контактном сооружении.
При механической обработке из воды удаляется до 70 % минеральных примесей, БПК снижается на 25–30 %. Механический этап также нужен для усреднения потока, создания равномерного движения, чтобы предупредить колебания объема и состава сточных вод на следующем этапе очистки.
Биологический
Биологический этап – основная стадия очистки стоков. Применяется для удаления органического мусора, биогенных веществ (азота, фосфора) и растворенных в водной массе загрязнений.
Принцип очистки заключается в применении специфического биоценоза (бактерий, простейших и многоклеточных организмов), который называется активным илом или биопленкой, и принципов его жизнедеятельнос
Бактерии направленно воздействуют на органические примеси, в результате происходит глубокая очистка воды.Биообработка основана на способности активного ила к осаждению, поэтому процесс происходит в две стадии:
- Контактирование ила и стоков в течение определенного промежутка времени (период определяется по соответствующим методикам).
- Отстаивание (гравитационное разделение очищенной жидкости и активного ила).
Для разложения загрязнений используются аэробные или анаэробные бактерии – в зависимости от факта присутствия или отсутствия кислорода воздуха в смеси активного ила и сточной жидкости.
Сточные воды в городах чаще очищают аэробным способом. Далее мы опишем характеристику технологии биологической очистка.
В процессах с участием активного ила используется проточный аэрируемый биологический реактор (аэротенк). Аэротенк соединен с отстойником для осветления воды. Ил находится в аэробном биореакторе достаточно долго – чтобы произошло окисление всего объема адсорбированной органики. Реакторы периодического действия работают в циклическом режиме.
В цепочке биологической очистки после аэротенков применяются вторичные отстойники. В резервуарах установлены илососы для удаления донного активного ила и его возврата в аэротенк. Избыточный ил выводится из системы и направляется на поля орошения.
Другой вариант оборудования для биоочистки – метантенки, в которых идут процессы анаэробного брожения. Установки используются для получения из осадка ценного побочного продукта – биогаза.
Аэробные и анаэробные бактерии
Микроорганизмы, участвующие в обработке стоков, делятся на аэробные и анаэробные.Аэробные живут только в кислородсодержащей среде, полностью утилизируют органику, попутно синтезируя собственную биомассу.
Анаэробным бактериям кислород не нужен, но и прирост биомассы у них небольшой. Организмы этой группы необходимы для бескислородного брожения органических соединений с образованием метана.
Анаэробные технологии незаменимы при высоком содержании органических примесей – в объемах, превышающих предельно допустимые концентрации для аэробной микробиоты. Если стоки характеризуются невысокими показателями органики, анаэробные бактерии оказываются малоэффективными.
Как работает биофильтр
Фильтрующие элементы биофильтра располагаются сверху вниз, формируя 6 слоев с определенными функциями.Как «работает» каждый слой:
- Бактериями «заселена» вся масса биопленки верхнего слоя. Здесь происходит минерализация органики, развивается микрофлора, которая усваивает простые соединения с высокой скоростью.
- Зеленые и сине-зеленые водоросли разрастаются в верхних слоях устройства, продуцируя кислород и фитонциды.
- Ниже, в третьем слое – зона обитания диатомовых водорослей, которым не нужен свет, но требуется кислород.
- При дальнейшем продвижении жидкости происходит потребление все более трудноусвояемых компонентов стоков – здесь развиваются бактерии, разлагающие высокомолекулярные соединения.
- В пятом слое обитают простейшие – микроорганизмы, питающиеся бактериями.
- В самом нижнем слое биологического фильтра – территория червей. Черви проделывают ходы между фракциями материала загрузки, разрыхляя при этом биологическую пленку и облегчая доступ кислорода.
После биологической обработки иногда может потребоваться обеззараживание
Химический
На стадии химической очистки в воду вводятся реагенты. Вещества вступают в реакцию с загрязняющими примесями, образуя нерастворимый осадок, который затем механизированно удаляется. В результате концентрация растворимых примесей снижается на 25 %, нерастворимых – на 95 %.
Выделяют два основных метода химической очистки стоков.
Нейтрализация
В результате воздействия реагентов, добавляемых в стоки (растворов кислот и щелочей), среда становится нейтральной – достигается требуемая величина водородного показателя рН.Этот способ активно реализуется в:
- текстильной;
- химической;
- фармацевтической промышленности;
- машиностроении.
Окисление
Технология заключается в добавлении различных окислителей:- сжиженного или газообразного хлора;
- диоксида хлора;
- хлорной извести;
- гипохлората натрия или кальция;
-
кислорода.
Применяется для очистки вод с высокой концентрацией кислот, щелочей, солей металлов. Способ особенно эффективен для сточных вод с содержанием цианида меди, цинка и других токсичных соединений.
Подобный состав имеют стоки машиностроения и приборостроения, свинцово-цинковых производств, горнодобывающей и целлюлозно-бумажной промышленности.
В результате химических реакций опасные загрязнения становятся безвредными. У окисления как способа очистки СВ единственный минус – большой расход дорогостоящих реагентов.
В комплексных установках очистки стоков предусмотрено удаление выпадающего осадка – продукта химических реакций.
Физико-химический
Физико-химические технологии применяются для доочистки воды от растворенных примесей, в основном применяются на предприятиях с внедренными оборотными системами водоснабжения. Большинство таких способов требуют глубокой обработки для извлечения взвешенных веществ, для чего на предварительном этапе запускается процесс коагуляции.
Основные физико-химические методы:
- Флотация.Интенсифицирует процесс всплытия фракций масла, жира, нефтепродуктов в результате их обволакивания пузырьками воздуха.
- Экстракция. Основана на перераспределении примесей в смеси взаимно нерастворимых жидкостей (стоков и экстрагента).
- Сорбция.Способ удаления растворимых загрязнений путем введения сорбентов (шлака, опилок, извести).
- Ионообменная обработка. Метод извлечения солей, ионов металлов, других примесей с помощью ионитов – гранулированных синтетических ионообменных смол.
- Электрохимическое окисление. Метод основан на электролизе. Химические реакции процесса зависят от состава стоков, материала электродов, рН среды, электрохимических параметров. Воды подвергаются окислению в электролизерах непрерывного или периодического действия.
- Гиперфильтрация (обратный осмос). Технология осуществляется разделением растворов путем фильтрования через мембраны. Поры мембран пропускают только молекулы воды, задерживая ионы солей.
- Выпаривание. Сточная жидкость обрабатывается паром, в результате примеси переходят в паровую фазу и удаляются вместе с паром. Способ целесообразен для обработки малых объемов стоков с высокой концентрацией летучих веществ.
Дезинфекция
После биоочистки концентрация патогенных бактерий значительно уменьшается, но полностью очистить стоки, предназначенные для сброса в природный водоем, можно только с помощью обеззараживающих мероприятий.Далее рассмотрим основные способы обеззараживания СВ на завершающей стадии очистки.
Химическая дезинфекция
Самый популярный способ обеззараживания стоков – хлорирование. В воду, прошедшую биологическую очистку, вводится хлор или его соединения (диоксид хлора, хлорид брома, гипохлорит натрия, гипохлорит кальция, хлорная известь, хлорамин, газообразный хлор).
После применения хлорсодержащих препаратов воду приходится очищать от хлора, высокие концентрации вещества опасны для здоровья. Это основной недостаток дезинфекции хлорированием.
Наименее вредным считается диоксид хлора, но при этом соединение и менее эффективно – не подходит для обработки сильнозараженных стоков.
Для химического обеззараживания также используются соединения йода и брома, перекись водорода, применяется озонирование. Озон не менее сильный окислитель, чем хлор, но способ достаточно дорог, энергоемок и требует специального оборудования.
Другие дезинфекторы (перманганат калия, перуксусная кислота) не обладают выраженным бактерицидным действием, поэтому используются редко.
Ультрафиолет
Обработка воды УФ-излучением – эффективный и экономичный метод физической дезинфекции, не имеющий последствий в виде остаточного негативного воздействия на воду, как в случае использования хлорсодержащих реагентов. Электромагнитные волны длиной около 255 нм разрушают ДНК микроорганизмов, что приводит к невозможности их размножения.
Самая доступная технология-аналог – солнечное обеззараживание (воздействие на жидкость в открытых водоемах прямыми солнечными лучами). В этом случае обеззараживание ультрафиолетом проводится в сочетании с инфракрасным излучением.
Инфракрасное излучение
ИК-лучи не обладают прямым бактерицидным эффектом, но оказывают косвенное воздействие путем нагрева плотных непрозрачных загрязнителей. Дезинфицирующие процессы начинаются при нагреве жидкости более 50° С.Ионизирующее излучение
Метод обезвреживания χ- или γ-лучами, β-частицами, нейтронами и протонами относится к сложным и высокотехнологичным. Обычно применяется для решения специфических задач, где другие технологии обеззараживания неприменимы.Ультразвук
К гибели опасных бактерий приводит высокая частота колебаний – оболочки клеток патогенных организмов начинают механически разрушаться. Эффективность ультразвука возрастает, если в стоки вводятся бактерицидные реагенты, ускоряющие процессы, необратимые для патогенной микрофлоры.Тепловое воздействие
Обеззараживание кипячением достаточно эффективно, но для окончательной обработки от бактерий, спор бактерий и вирусы воду потребуется кипятить не менее 30-40 минут. Эффект от теплового воздействия наступает при сворачивании белков и нарушениях в работе внутриклеточных ферментов. Недостаток технологии – высокие энергозатраты.Электрические токи высокой и сверхвысокой частоты
Высокие и сверхвысокие частоты колебания электромагнитного поля негативно влияют на структуру клеток патогенных микроорганизмов – в результате наступает бактерицидное воздействие.Обеззараживание ионами металлов
Некоторые металлы, например, серебро и соединения меди, контактируя с водой, выделяют ионы с бактерицидными свойствами. Метод недостаточно эффективен, применяется для обеззараживания малых объемов слабозараженной воды в комбинации с другими способами.
Как правило, лучшим методом против бактериологического загрязнения воды считается комплексное обеззараживание, реализуемое в 2-3 последовательных этапа различными способами.
Для очистки стоков загородных домов от бактерий и вирусов чаще остальных применяется обеззараживание ультрафиолетом. В качестве максимальной финальной обработки воды после УФ-излучателя ставится фильтр обратного осмоса.
Как правило, лучшим методом против бактериологического загрязнения воды считается комплексное обеззараживание, реализуемое в 2-3 последовательных этапа различными способами.
Для очистки стоков загородных домов от бактерий и вирусов чаще остальных применяется обеззараживание ультрафиолетом. В качестве максимальной финальной обработки воды после УФ-излучателя ставится фильтр обратного осмоса.
Термическая утилизация
Иногда ни один способ очистки стоков (особенно промышленных) не приводит к необходимым показателям качества. Термическая утилизация стоков при их сжигании – альтернативный метод избавления от загрязненных сточных вод.Для термоутилизации используются печи термического разложения, горелки и установки различных конструкций. Достаточно популярен огневой метод – надежный и экономичный.
Вода в распыленном мелкодисперсном состоянии впрыскивается в факел, который образуется при сжигании топлива (жидкого или газообразного). В результате жидкость испаряется, а примеси сгорают, разлагаясь в молекулы диоксида углерода и воды.
Основные этапы очистки сточных вод показаны в данном видео на примере Люберецкий очистных сооружений:
Заключение
Способы очистки воды от всех разновидностей загрязнений подбираются с учетом результатов химического и бактериологического анализа. Существует множество факторов, изменяющих эффективность любого метода обработки в каждом конкретном случае.Не менее важный этап при очистке стоков – механическое обезвоживание осадка. Применяются разнообразные технологии – обезвоживание с помощью камерных фильтр-прессов, дисковых шнековых дегидраторов, ленточных прессов, центрифуг (декантеров).
Методы различаются не только эффективностью, но и другими характеристиками – площадью участка, энергопотреблением, стоимостью, эксплуатационными затратами.